Дослідження хімії в 20-21 століттях

Зміст

Введення

1. Управління хімічними процесами

2. ОСВІТА ЗЕМНИХ І позаземного речовини

3. нові хімічні елементи

3.1 Отримання нових хімічних елементів

3.2 Радіоактивні ізотопи та їх застосування

4. ПЕРСПЕКТИВНІ ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ

4.1 Плазмохимическое процеси

4.2 високотемпературного синтезу

4.3 Хімічні реакції при високих тисках

4.4 Синтез алмазів

5. Сучасних синтетичних матеріалів

6. ПЕРСПЕКТИВНІ МАТЕРІАЛИ

6.1 Надміцні матеріали

6.2 Матеріали, що містять рідкісні метали

6.3 Термостійкі матеріали

6.3.1 нітінола

6.3.2 Рідкі кристали

6.3.3 Оптичні матеріали

6.4 Матеріали дисоціації металоорганічних сполук

6.5 Тонкоплівкові матеріали для накопичувачів інформації

7. НАЙВАЖЛИВІШІ ВІДКРИТТЯ В ХІМІЇ XXI СТОЛІТТЯ

Висновок

Бібліографія

Введення

На рубежі тисячоліть у кожної з головних галузей природознавства - біології, фізики, хімії - відбулися і відбуваються однаково важливі, капітальні, але притому різні метаморфози.

Бурхливо розвиваються нові уявлення (супрамолекулярная хімія, нанотехнології, фемтохімія). Фантастичними слід назвати досягнення біохімії. Все ширше впроваджуються уявлення про хімічний речовині як про мікрогетерогенних середовищі, і це відіграє величезну роль у хімії матеріалів. Величезне значення мають успіхи квантової хімії, однак і класична механіка широко використовується при описі та інтерпретації хімічних процесів. І як і раніше непорушною основою дуже багатьох розділів хімії залишаються структурні формули і стереохімічні уявлення, що склалися в кінці 19-го століття.

Основна метаморфоза, яку зазнала хімія в 20-му столітті, полягає в тому, що з "експериментальної науки про речовини та їх перетворення" вона перетворилася на систему уявлень, методів, знань і теоретичних концепцій, спрямованих на вивчення атомно-молекулярних систем (АМС) . При цьому основним засобом опису, інтерпретації, прогнозу та використання АМС стала структура. Не буде великим перебільшенням назвати всю сучасну хімію структурної. ¹ В результаті хімія встала перед капітальної проблемою: виникла необхідність на новому рівні узгодити класичну фізикохімії (термодинаміку і кінетику) з швидко прогресуючими структурними уявленнями, із стрімко збільшується в обсязі структурної інформацією.

Структура - це складне багаторівневе поняття, що існує у формі ряду різних наближень, і потрібно користуватися ним так, щоб у кожному конкретному випадку була ясна сутність і ступінь достовірності непрямо моделі.

Впровадження структурних уявлень перетворило багато аспектів діяльності хіміків і використовувані ними фундаментальні поняття. Радикально видозмінилася, наприклад, зміст таких центральних понять класичної хімії, як "хімічна речовина" і "хімічна сполука". Змінилися зміст і форма двох першооснов, на яких грунтується хімія, - експерименту і теорії (мова йде про тих експериментах і теоретичних концепціях, які домінують у сучасній хімії). Зокрема це пов'язано з швидким розвитком комп'ютерного моделювання, що призвело до появи нового типу наукової гіпотези.

1. УПРАВЛІННЯ ХІМІЧНИМИ ПРОЦЕСАМИ

Сучасна наука про хімічних процесах включає фундаментальні знання багатьох галузей природознавства і, насамперед, фізики, хімії, біології та ін Прагнення вчених - створити лабораторії живого організму для відтворення хімічних процесів в біологічних системах свідчить про необхідність застосування взаємопов'язаних знань різних природно - наукових галузей.

Лауреат Нобелівської премії з хімії 1956р., Видатний хімік М.М. Семенов (1896-1986), який створив загальну теорію ланцюгових реакцій і заснував хімічну фізику, вважав себе фізиком. Він вважав, що хімічний процес не можна розглядати без сходження від таких простих об'єктів, як електрон, нуклон, атом і молекула, до живої біологічної системи, бо будь-яка клітина будь-якого організму є, по суті, складний хімічний реактор. У зв'язку з цим хімічний процес - це міст між фізичним та біохімічним об'єктами.

Одне з найважливіших напрямів навчання про властивості речовини - створення методів управління хімічними процесами. Успіхи в розвитку сучасної хімії багато в чому визначаються ефективністю управління хімічними перетвореннями, підвищенню якої сприяє впровадження нових експериментальних методів з застосуванням сучасних технічних засобів контролю та аналізу складних молекулярних структур. Хімічне перетворення починається зі змішування реагентів і закінчується утворенням кінцевих продуктів. У більшості випадків воно включає ряд проміжних стадій, і для повного розуміння механізму реакції потрібні відомості про властивості проміжних речовин, що утворюються на кожній стадії, що протікає, як правило, дуже швидко. Якщо 20-30 років тому технічні засоби експерименту дозволяли простежити за проміжними молекулами з часом життя близько однієї мільйонної частки секунди, то сучасні лазерні джерела випромінювання істотно розширили часовий діапазон досліджень від 10 ^-6 до 10 ^-15 с.

При взаємодії двох хімічних сполук утворення продуктів реакції визначається статистичною ймовірністю, що залежить від вихідного енергетичного стану, порушення та взаємної орієнтації молекул при зіткненнях. Сучасна вакуумна техніка відкриває нові можливості для взаємодії реагуючих сполук при зіткненні молекул. У глибокому вакуумі, де довжина вільного пробігу молекул велика, зіткнення молекул може відбуватися в порівняно невеликому обсязі, що становить зону перекриття двох молекулярних пучків реагують сполук, в якій зростає ймовірність участі кожної молекули не більше ніж в одному зіткненні, що приводить до реакції. Це означає, що з'явилася реальна можливість для вивчення тонких процесів та управління хімічними перетвореннями.

Визначення характеристик атомних і молекулярних частинок (їх структури і складу) в аналітичній хімії називають якісним аналізом, а вимір їх відносного змісту - кількісним аналізом. Нові методи якісного та кількісного аналізу грунтуються на останніх досягненнях різних галузей природознавства і в першу чергу фізики. Методи аналітичної хімії широко застосовуються в різних галузях хімії, в медицині, сільському господарстві, геології, екології і т.п.

Для кількісного аналізу досліджувані складні, суміші та сполуки діляться на частини. Для цього застосовується універсальний метод - хроматографія. Цей метод вперше запропонував російський вчений М.С. Колір (1872-1919). Його сутність полягає в тому, що різні речовини в рідкій або газоподібній фазі володіють різною міцністю зв'язку з поверхнею, з якою вони перебувають у контакті. За допомогою хроматографії можна розділити і зафіксувати надзвичайно мала кількість речовини в суміші - близько 10 ^-12 р. Крім того, хроматографія дозволяє розділити багатокомпонентні газоподібні суміші, що містять речовини різного ізотопного складу.

Для аналізу та ідентифікації структури складних молекул, які об'єднують велику кількість атомів з різними взаємними зв'язками, широко застосовуються засновані на фізичних принципах експериментальні методи ядерного магнітного резонансу, оптичної спектроскопії, мас-спектроскопії, рентгеноструктурного аналізу, нейтронографії і т.п.

В управлінні хімічними процесами важливу роль відіграють попередні розрахунки, що дозволяють визначити властивості синтезованих молекул. Ще в першій половині XX століття з розвитком квантової теорії з'явилася можливість розраховувати взаємодію електронів і атомних ядер при хімічних реакціях. Однак на практиці такі розрахунки довго залишалися недосяжними: аж надто складні рівняння квантової механіки для комплексних об'єктів - молекул і атомів навіть з безліччю рухомих електронів. Рішення такого завдання стало можливим при обліку електронної щільності, а не руху окремих електронів в молекулі або атомі. Такий підхід дозволяє розраховувати властивість і структуру навіть дуже складних молекул, наприклад білкових. За рішення цієї задачі квантової хімії австрійський фізик Вальтер Кон і англійський математик і фізик Джон Поплив (обидва вчених працюють в США) удостоєні в 1998р. Нобелівської премії з хімії.

2. ОСВІТА ЗЕМНИХ І позаземного речовини

Геохімічні процеси в надрах Землі і на її поверхні, являють собою перетворення складних сполук і сумішей, що складаються з кристалічних і аморфних фаз. Багато хто з них протікають при дуже високих тисках і температурах. Сучасні технічні засоби експерименту дозволяють відтворити в лабораторії умови, близькі до умов усередині Землі і навіть земного ядра. Природні процеси: кристалізація, часткове розчинення, зміна структури мінералів (метаморфізм), вивітрювання і т.п. - Призводять до утворення рудних відкладень або до їх руйнування і розсіювання.

Великий інтерес представляють метеорити: вони дають необхідну інформацію про еволюцію небесних тіл, що знаходяться на різних стадіях розвитку. При цьому важливу роль відіграє аналіз ізотопного складу багатьох металів і газоподібних речовин, знайдених в метеоритах.

Хімія внесла і вносить істотний внесок у дослідження космічного простору. Без ракетного палива і сучасних матеріалів, здатних витримати величезний тиск, високу температуру й інтенсивне космічне випромінювання, без електрохімічних джерел енергії, без різноманітних хімічних засобів для забезпечення харчування космонавтів ми сьогодні дивилися б на Місяць з нашого прекрасного далека. Космос з давніх пір став об'єктом хімічних досліджень. На стику хімії та астрофізики зародилася нова галузь природознавства - космохімія, що вивчає склад космічних тіл, закони поширеності елементів у Всесвіті і т.д.

Перші дані про хімічний склад небесних тіл отримані за допомогою спектрального аналізу. У хімічних лабораторіях, крім того, досліджувався склад метеоритної речовини. Склад метеоритів виявився однаковим, як якби вони відбувалися з одного і того ж рудника. До цих пір ні в одному метеориті не знайдений хімічний елемент, який не зустрічався б на Землі. За допомогою найточніших методів аналізу в метеоритах виявлені майже всі відомі на нашій планеті хімічні елементи. Характерна особливість більшості метеоритів полягає в тому, що вони містять багато чистого заліза і дуже мало найбільш поширеного на Землі кварцу. Речовини, які вказували б на існування життя в космосі, поки не знайдені, хоча вуглець виявлений у вигляді крихітних алмазів, графіту та аморфного вугілля. Відносно недавно з'явилося повідомлення про виявлення бактеріоподобной структури в метеориті з Марсу, що є предметом подальшої дискусії про існування життя на цій планеті в далекому минулому. ²

Найбільш часто зустрічаються кам'яні метеорити, як і більшість земних порід, складаються в основному з силікату магнію. Залізні метеорити містять до 90% заліза. Вміст нікелю в них становить 6-20%. Крім того, метеорити містять кобальт, мідь, хром, фосфор, сірку, платину, паладій, срібло, іридій, золото та інші елементи. Зустрічаються включення газів: водню, оксиду і діоксиду вуглецю.

Пряма геологічна розвідка небесних тіл почалася 21 липня 1969 р., коли людина вперше ступила на поверхню Місяця і взяв проби місячного грунту. Через рік з невеликим примісячилися перша автоматична станція «Луна-16», яка повернулася на Землю зі зразками місячної породи. Трохи пізніше, в листопаді 1970 р., на Місяць доставлена ​​радянська автоматична станція «Луноход-1», яка, почавши свій рух по Місяцю з північно-західного Моря дощів, обстежила за 321 добу близько 50 га місячної поверхні. Обстеження проводилися і вдень, і вночі при температурах від -140 до 130 ° С. Результати аналізу показали, що за винятком кілька підвищеного вмісту тугоплавких сполук титану, цирконію, хрому і заліза, місячні породи за своїм складом дуже схожі на земні. Деякі відмінності виявилися у властивостях. Так, місячне залізо іржавіє повільніше, ніж земне. У верхньому шарі місячного грунту виявлено дивовижний мінерал, який отримав назву реголіт. Він має порівняно низьку теплопровідність.

Триває дослідження планет Сонячної системи. За допомогою космічного зонда, відправленого до Венери, в результаті гамма - спектрального аналізу встановлено, що грунт Венери за хімічним складом відповідає граніту.

Речовина, що знаходиться в міжзоряному просторі, складається з газу і пилу. Найбільш поширеними газами в космічному просторі є водень (70 мас.%) І гелій (28 мас.%). У газових міжзоряних хмарах виявлено більше 20 хімічних компонентів. Поряд з простими хімічними сполуками (СО, Н _2, HCN, H 20,1 ЧНз) в 200 космічних газових скупченнях знайдені і більш складні з'єднання - метанол, ізоціанова кислота, формамід, формальдегід, метилацетилен і ацетальдегід. Відносно недавно виявлені молекули етилового спирту, мурашиної кислоти та інших сполук.

Дослідження космохімії носять переважно пізнавальний характер, але не можна виключати, що в майбутньому вони знайдуть практичну значимість. Були отримані деякі важливі для практики результати. Для хіміко-фармацевтичної промисловості становить практичний інтерес більш інтенсивний розвиток бактеріальних культур в невагомості, ніж на Землі. Металурги можуть отримати в невагомості сплави з унікальними властивостями. Значні перспективи вирощування в космосі бездефектних монокристалів, особливо оксидів металів.

3. нові хімічні елементи

3.1 Отримання нових хімічних елементів

Речова середовище проживання людей містить численні сполуки та їх складові - хімічні елементи. Ще до 30-х років XX століття Періодична система Менделєєва складалася з 88 елементів. З урахуванням вільних клітин з номерами 43 (технецій), 61 (прометій), 85 (астат) і 87 (францій) в ній було всього 92 місця. Останнім елементом з атомним номером 92 був уран.

Передбачається, що на першій стадії розвитку Землі існували і трансуранові елементи з порядковими номерами до 106. Однак через невеликий тривалості життя в порівнянні з віком Землі вони повністю розпалися. Самим довготривалим елементом з них виявився плутоній-244 з періодом напіврозпаду 82,2 млн. років, і його існування в даний час доведено: він виявлений в 1971р. в каліфорнійському мінералі бастнезіте.

У 1940р. отримано перший трансуранові елементи - нептуній, а за три роки до цього отриманий перший штучний елемент - технецій. Потім в лабораторних умовах зареєстровані трансуранові елементи з атомними номерами до 109. В Об'єднаному інституті ядерних досліджень в Дубні відкриті елементи з номерами 104 (1964), 105 (1970), 106 (1974) і 107 (1976).

Міжнародний союз чистої та прикладної хімії у вересні 1997р. узаконив назви штучних надважких елементів: Резерфорд (104), Дубно (105), Сиборг (106), борій (107), Хассі (108) і мейтнерій (109). Ці назви дано головним чином на честь учених, які зробили значний внесок в ядерну фізику. Один з них - Дубно - названий на честь міста Дубна, де було відкрито багато нових хімічні елементи. У лютому 1999р. з'явилося повідомлення: вчені з Об'єднаного інституту ядерних досліджень у Дубні відкрили виходить за межі Періодичної системи Менделєєва новий хімічний елемент з періодом напіврозпаду набагато більшим, ніж у відкритих останнім часом надважких елементів.

Трансуранові елементи з атомними номерами до 100 можна отримати в ядерному реакторі шляхом «надбудови» ядер ізотопу урану-238 при сталкивании їх з нейтронами. Всі елементи з номерами вище 100 і масовими числами більше 257 отримують тільки в прискорювачах і в незначних кількостях. Для отримання надважких трансуранідов ядра урану бомбардуються іонами ксенону, гадолиния, самарію, урану та інші, які мають досить високою енергією. Особливо ефективна бомбардування іонами самого урану, в результаті якої утворюються важкі проміжні ядра.

У стабільних атомних ядрах заряджені і нейтральні частки знаходяться в рівноважному стані. З порушенням рівноваги ядерна система стає нестійкою. Сучасна теорія дозволяє розрахувати умови стабільності надважких іонів та елементів, а також передбачити найімовірніші їх фізичні та хімічні властивості. З подібних розрахунків випливає, що елементи з атомними номерами, близькими до 114 і 164, повинні мати несподівано високою стабільністю. Такі елементи утворюють своєрідні острова стабільності, де можливе існування ізотопів з періодом напіврозпаду до 10 років.

Передбачається, що властивості елементів з атомними номерами 112-118 аналогічні властивостям елементів в ряду ртуть - радон. Верхня межа можливої ​​стабільності, наскільки її дозволяє визначити сучасний рівень природно - наукових знань, наближається до атомного номеру 174. Для синтезу подібного роду елементів потрібні нові технічні засоби експерименту.

3.2 Радіоактивні ізотопи та їх застосування

Ізотопи - різновиди хімічних елементів, у яких ядра атомів відрізняються числом нейтронів, але містять однакове число протонів, і тому займають одне і те ж місце в Періодичній системі елементів Менделєєва. Розрізняють стійкі (стабільні) і радіоактивні ізотопи. Термін «ізотопи» вперше запропонував у 1910р. Фредерік Содді (1877-1956), відомий англійський радіохімік, лауреат Нобелівської премії 1921р., Експериментально довів освіту радію з урану.

Радіоактивні ізотопи широко застосовуються не тільки в атомній енергетиці, а й у різноманітних приладах і апаратурі для визначення щільності, однорідності речовини, її гігроскопічності і т.п. За допомогою радіоактивних індикаторів можна простежити за переміщенням хімічних сполук у фізичних, технологічних, біологічних і хімічних процесах, для чого в досліджуваний об'єкт вводять радіоактивні індикатори (мічені атоми) певних елементів і потім спостерігають за їх рухом. Цей спосіб дозволяє досліджувати механізми реакцій при перетвореннях речовин в складних умовах, наприклад при високій температурі, в доменній печі або в агресивному середовищі хімічного реактора, а також вивчати процеси обміну речовин у живих організмах. Ізотоп кисню-18 допомагає з'ясувати механізм дихання живих організмів.

Радіоактивний метод аналізу речовини дає можливість визначити вміст у ньому різних металів від кальцію до цинку, у надзвичайно малих концентраціях - до 1 ^-10 р. (При цьому потрібно всього лише 10 ^-12 р. речовини). Радіоактивні препарати широко використовуються в медичній практиці для лікування багатьох захворювань, у тому числі і злоякісних пухлин. Ізотопи плутонію-238, кюрия-224 застосовуються для виробництва батарей невеликої потужності для стабілізаторів ритму серця. Для їх безперервної роботи протягом 10 років достатньо всього 150-200 мг плутонію (звичайні батареї служать до чотирьох років).

В результаті радіаційно-хімічних реакцій з кисню утворюється озон, з газоподібних парафінів - водень і складні з'єднання низькомолекулярних олефінів. Опромінення поліетилену, полівінілхлориду та інших полімерів призводить до підвищення їх термостійкості та міцності. Можна навести безліч прикладів практичного застосування ізотопів і радіоактивного випромінювання. Незважаючи на це, ставлення людей до радіації, особливо в останні десятиліття, різко змінилося. За приблизно столітню історію радіоактивні джерела пройшли довгий шлях від еліксиру життя до символу зла. ³

Після відкриття рентгенівських променів багато хто вірив, що за допомогою радіації можна вилікувати всі хвороби і вирішити всі проблеми. У той час люди не хотіли бачити небезпеки радіоактивного опромінення. Коли в 1895 р. Вільгельм Рентген (1845-1923) виявив новий вид опромінення, хвиля захоплення охопила весь цивілізований світ. Відкриття не тільки похитнуло основи класичної фізики. Воно обіцяло необмежені можливості - в медицині його тут же стали застосовувати для діагностики, трохи пізніше - для лікування найрізноманітніших захворювань. Рентгенодіагностика і рентгенотерапія врятували життя багатьом людям. Лікарі, правда, через деякий час стали обмежувати допустиму кількість рентгенівських знімків для одного пацієнта, але ніхто всерйоз не звертав уваги на опіки, що виникають після рентгена. Французький фізик А. Беккерель, наприклад, мав звичку носити в кишені брюк радієвий прилад. Через деякий час він зауважив запалення на нозі. Щоб переконатися, що прилад послужив причиною хвороби, він переклав його в іншу кишеню. Але навіть з'явилася на іншій нозі виразка не змогла протверезити вченого, який би, як і інші, в ейфорії від нового відкриття. Радіоактивне випромінювання в той час розглядали як універсальний цілющий засіб, еліксир життя. Радій виявився ефективний при лікуванні доброякісних пухлин, і «популярність» його різко зросла. У вільному продажі з'явилися радієві подушки, радіоактивна зубна паста та косметика.

Однак незабаром з'явилися перші тривожні сигнали. У 1911р. було виявлено, що берлінські лікарі, що мають справу з радіацією, часто хворіють на лейкемію. Пізніше німецький фізик Макс фон Лауе (1879-1960) експериментально довів, що радіоактивне випромінювання несприятливо впливає на живі організми, а в 1925-1927 рр.. стало відомо, що під впливом випромінювання виникають зміни спадкової речовини - мутації.

Повне протверезіння настало після атомного бомбардування Хіросіми і Нагасакі. Майже все, що залишилися в живих після ядерного вибуху отримали велику дозу опромінення та померли від раку, а їхні діти успадкували деякі генетичні порушення, викликані радіацією. Вперше про це почали відкрито говорити в 1950р., Коли число хворих лейкемією серед постраждалих від атомних вибухів стало катастрофічно зростати. Після Чорнобильської аварії недовіру до радіації переросло в справжню ядерну істерію.

Таким чином, якщо на початку XX ст. люди вперто не хотіли бачити шкоди від опромінення, то в кінці його - стали боятися радіації навіть тоді, коли вона не представляє реальної небезпеки. Причина обох явищ одна - людське невігластво. Можна тільки сподіватися, що в майбутньому людина навчиться дотримуватися золотої середини і звертати знання про природні явища собі на благо.

4. ПЕРСПЕКТИВНІ ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ

4.1 Плазмохимическое процеси

Плазмохімічні процеси протікають в слабоіонізірованной, або низькотемпературної, плазмі при температурі від 1000 до 10000 ° С. Іонізовані і неіонізованій частинки плазми, що знаходяться у збудженому стані, в результаті зіткнень легко вступають у хімічну реакцію. Продуктивність метанового плазмохімічного реактора - плазмотрона порівняно невеликих розмірів (завдовжки 65 см і діаметром 15 см) - становить 75 т ацетилену на добу. По продуктивності він не поступається величезному заводу. У ньому при температурі 3000-3500 ° С за 0,0001 с близько 80% метану перетворюється в ацетилен. Коефіцієнт корисної споживання енергії - 90-95%, а енерговитрати - менше 3 кВт / год на 1 кг ацетилену. У той же час у традиційному паровому реакторі піролізу метану енерговитрати удвічі більше.

Останнім часом розроблено ефективний спосіб зв'язування атмосферного азоту за допомогою плазмохімічного синтезу оксиду азоту, який набагато економічніше традиційного аміачного способу. Створено плазмохімічноїтехнологія виробництва дрібнодисперсних порошків - основної сировини для порошкової металургії. Розроблено плазмохімічні методи синтезу карбідів, нітридів, карбонітрідов таких металів, як титан, цирконій, ванадій, ніобій і молібден, при порівняно невеликих енерговитратах - 1-2 кВт / год на 1 кг готової продукції.

У 70-х роках XX ст. створені плазмохімічні сталеплавильні печі, що виробляють високоякісний метал. Іонно-плазмова обробка робочої поверхні інструментів дозволяє підвищити їх зносостійкість у декілька разів. У результаті подібної обробки можна сформувати, наприклад, пористий рельєф на рівній поверхні.

Іонно-плазмового напилення у вакуумі широко застосовується для формування елементів сучасних інтегральних схем.

Методом плазмового напилення можна нанести пористе покриття зі складною мікроструктурою, що сприяє зрощенню ендо - протеза з кістковою тканиною. За допомогою пористих покриттів можна збільшити ефективність каталізатора, підвищити коефіцієнт тепловіддачі і т.д.

Плазмохимія дозволяє синтезувати металлобетона, в якому в якості сполучних матеріалів використовують сталь, чавун і алюміній. Металлобетона утворюється при сплаву частинок гірської породи з металом і по міцності перевершує звичайний бетон: на стиск - в 10 разів і на розтяг - в 100 разів. У нашій країні розроблено плазмохімічних спосіб перетворення вугілля в рідке паливо без застосування високих тисків і викиду золи і сірки. Крім основного хімічного продукту - синтез газу, що витягується з органічних сполук кам'яного або бурого вугілля, цей спосіб дозволяє отримати з неорганічних включень вугілля цінні з'єднання: технічний кремній, карбосіліцій, феросиліцій, адсорбенти для очистки води тощо, - які при інших способах переробки вугілля викидаються у вигляді зольних відходів.

4.2 високотемпературного синтезу

Для виробництва багатьох тугоплавких і керамічних матеріалів застосовується технологія порошкової металургії, що включає операції пресування при високому тиску і спікання отриманої заготовки при відносно високій температурі 1200-2000 ° С. Однак ця технологія досить енергоємна: створення високих температур і тиску вимагає великих енерговитрат. Набагато простіше і економічніше запропонована порівняно недавно технологія високотемпературного синтезу, заснована на реакції горіння одного металу в іншому або металу в азоті, вуглеці, кремнії і т.п., тобто теплового процесу горіння в твердих тілах.

Високотемпературного синтезу не вимагає трудомістких процесів і громіздких печей і відрізняється високою технологічністю. Він легко піддається автоматизації. Промисловою установкою, що виробляє великотоннажних продукцію, може керувати лише один оператор.

4.3 Хімічні реакції при високих тисках

Хімічні перетворення речовин при тисках вище 100 атм. відносяться до хімії високих тисків, а при тиску вище 1000 атм. - Хімії надвисоких тисків. Ідея активізації хімічних реакцій при підвищенні тиску виникла порівняно давно: ще в 1917 р. аміак проводився при тиску 300 атм. і температурі 600 ° С.

Останнім часом в багатьох промислових установках тиск досягає не менше 5000 атм. Проводяться випробування при тиску вище 600 000 атм., Яке створюється ударною хвилею при звичайному вибуху. Ядерні вибухи супроводжуються більш високим тиском.

Високий тиск веде до істотної зміни фізичних і хімічних властивостей речовини. Наприклад, сталь при тиску 12000 атм. стає куванням і гнучкою, а при 20 000 атм. метал еластичний, як каучук. При тиску 400000 атм. діелектрична сірка набуває електропровідні властивості. При високих температурах і тиску звичайна вода хімічно активна, і розчинність солей в ній підвищується в 3-4 рази. При надвисокому тиску багато речовин переходять в металевий стан. Таким незвичайним властивістю володіє навіть газоподібний водень - його металевий стан спостерігалося в 1973 р. при тиску 2,8 млн. атм. Із застосуванням твердого водню як ракетного палива корисний вантаж космічного корабля збільшується з 10 до 60%.

4.4 Синтез алмазів

Одне з найважливіших досягнень хімії надвисоких тисків - синтез алмазів. Перші штучні алмази синтезовані в 1954 р. (після тривалої, п'ятдесятирічної пошукової роботи) майже одночасно в США і Швеції. Синтез здійснювався при тиску 50 000 атм. і температурі 2000 ° С. Такі алмази коштували в 30 разів дорожче природних, але вже до початку 60-х років XX ст. їх вартість істотно знизилася. В останні десятиліття щорічно проводяться тонни синтетичних алмазів, за своїми властивостями незначно відрізняються від природних. Відмінності між синтетичними і природними алмазами можна визначити тільки за допомогою точних фізичних приладів. Частка штучних алмазів на світовому ринку перевищує 75% від обсягу всієї алмазної продукції.

В недалекому минулому по виробництву і споживанню алмазів перше місце в світі займав колишній СРСР. Більше 8000 підприємств у нашій країні користувалися алмазним інструментом, причому вироблялося більше 2500 видів таких інструментів - від крихітних волочильних пристроїв до величезних ріжучих дисків для розрізання великих кам'яних блоків.

Промисловий синтез алмазів заснований на перетворенні графіту в реакторі високого тиску при наявності різних каталізаторів: металевого нікелю, складної суміші заліза, нікелю і хрому, та ін Кристалізація алмазів відбувається при тиску 50000 - 60000 атм. і температурі 1400 - 1600 ° С.

Зазвичай в реакторах високого тиску утворюються алмазні кристали розміром не більше 1 мм. Такі дрібні камені цілком придатні для промислових цілей, але з них важко виготовити прикраси. Порівняно недавно розроблена нова технологія, що дозволяє вирощувати кристали алмазу розміром до 6 мм. Проте синтез алмазів, які можна було б перетворити на великі діаманти, так складний і доріг, що синтезовані діаманти не можуть конкурувати з природними: кристал штучного алмазу масою 50 - 60 г (250 - 300 карат) коштує стільки ж, скільки 1 т золота.

Штучні алмази використовуються переважно для промислових цілей. Структура молекули й бурове устаткування з алмазними кристалами виявилися незамінними в багатьох галузях промисловості. Алмазна технологія дозволяє підвищити продуктивність праці на 30 - 50, а в деяких випадках і на 100%. Штучні алмази знаходять застосування при виготовленні годинника, прецизійних приладів. Ними ріжуть і обробляють тверді метали, кераміку, скло і т.д. З їх допомогою виготовляють найтоншу дріт.

Синтезовано особливий різновид чорних алмазів, звана карбонадо, що твердіше алмазів, що зустрічаються в природі. Синтез карбонадо заснований на методі порошкової металургії (пресування алмазного порошку проводиться при тиску 30 - 80 тис. атм., А його спікання - при 1000 ° С). Карбонад дозволяє обробляти самі алмази, з нього виготовляють надтверді бурові коронки.

За своєю структурою алмаз відрізняється від графіту більш щільною упаковкою атомів вуглецю в кристалі. У 1985 р. були синтезовані фулерени - новий різновид багатоатомних молекул вуглецю, що складається з великого числа (від 32 до 90) атомів вуглецю і має сферичну форму. Подальші роботи привели до створення не тільки сферичних молекул, а й еліпсоїдальних (барелленов), трубчастих (тубеленов) та інших конфігурацій. З таких молекул можна створювати матеріали небувалої міцності, елементи комп'ютерів XXI ст., Молекулярні сита і т.п.

Незважаючи на зростання виробництва штучних алмазів і їх широке застосування, звичайні тверді матеріали у вигляді різних карбідів металів не втратили своєї практичної значущості. Хоча карбіди металів менш тверді, ніж алмази, зате вони більш термостійкі. Порівняно недавно з нітриду бору синтезований матеріал, який твердіше алмаза. При тиску 100 000 атм. і температурі 2000 ° С нітрид бору перетворюється на боразон - матеріал, придатний для свердління і шліфування деталей з надзвичайно твердих матеріалів при дуже високих температурах.

До теперішнього часу налагоджено промислове виробництво не тільки штучних алмазів, а й інших дорогоцінних каменів: корунду (червоного рубіна і синього сапфіра), смарагду і ін

5. СУЧАСНІ синтетичні МАТЕРІАЛИ

З матеріалів виготовляються різні вироби: пристрої, машини і літаки, мости та будівлі, космічні апарати та мікроелектронні схеми, прискорювачі заряджених частинок і атомні реактори, одяг, взуття та ін Для кожного виробу потрібні свої матеріали з цілком певними властивостями, до яких пред'являються високі вимоги.

Пластмаси - це матеріали на основі природних або синтетичних полімерів, здатні приймати задану форму при нагріванні під тиском і стійко зберігати її після охолодження. Крім полімеру пластмаси містять наповнювачі, стабілізатори, пігменти та інші компоненти. Пластмаси розрізняються за експлуатаційними властивостями (наприклад, антифрикційні, атмосфері-, термо-або вогнестійкі), виду наповнювача (склопластики, графітопласти тощо), а також за типом полімеру (амінопласти, білкові пластики тощо). Залежно від характеру перетворень, що відбуваються в полімері при формуванні виробів, пластмаси поділяються на термопласти (найважливіші з них створюються на основі поліетилену, полівінілхлориду, полістиролу) і реактопласти (найбільш великотоннажний вид з них - фенопласти). Основні методи переробки термопластів - лиття під тиском, вакуумформованіе, пневмоформования та ін Реактопластів формуються пресуванням і литтям під тиском.

У 1980 р. американські вчені вперше виявили природну поліефірну пластмасу в гніздах бджіл, що живуть в землі.

Масове виробництво пластмас почалося в другій половині XX ст. У 1900 р. світове виробництво пластмас склало близько 20 тис. т, а в 1970 р. - вже 38 млн. т. В даний час обсяг виробництва пластмас порівняємо з обсягом випуску сталі - сотні мільйонів тонн на рік.

Найбільш перспективні матеріали з високою термостійкістю: поліфеніленсульфід, ароматичні поліаміди, фторполімери та ін Вони витримують відносно високу температуру - 200-450 ° С і використовуються в авіаційній і ракетній техніці.

Полімерні матеріали широко застосовуються в будівельній індустрії для виготовлення рам, облицювальних плит, покрівлі тощо За більш ніж столітню історію розвитку автомобілебудування пластмаси поступово витісняють метал. Передбачається, що в найближчому десятилітті на виготовлення одного легкового автомобіля потрібно сотні кілограмів пластмас: поліетилену, полівінілхлориду, поліпропілену та ін, тоді як в 1965 р. на один легковий автомобіль припадало лише 15 кг полімерних матеріалів. Вже виробляють легкові автомобілі з повністю пластмасовим кузовом і з багатьма іншими деталями, навіть з тими, які несуть високу механічну навантаження.

Еластоміри - ще один різновид полімерних матеріалів. До них належить передусім каучук, з якого виробляється широко поширена гума, що володіє відмітним властивістю - еластичністю. Така властивість об'єднує багато еластичні матеріали в одну групу еластомерів. Довгий час був відомий тільки один вид еластичного матеріалу - природний каучук. Він до цих пір видобувається з каучукового дерева - бразильської гевеї - таким же способом, як і смола в хвойних лісах, - шляхом підсічки.

Хімія заволоділа каучуком ще в першій половині XIX ст. - В 1841 р. американський винахідник Гудьир запропонував спосіб вулканізації. Крихкий при низькій температурі і липкий при нагріванні сирої каучук при вулканізації перетворюється на еластичне стан. При цьому його макромолекулярні ланцюга утворюють сітчасту структуру, з'єднуючись містками з атомів сірки. У 1932 р. під керівництвом нашого співвітчизника, видатного хіміка академіка С.В. Лебедєва (1874 - 1934) розроблений перший у світі промисловий спосіб отримання синтетичного каучуку.

Статистика світового виробництва каучуку починається з 1850 р., коли його було видобуто близько 1500 т. У 1900 р. бразильські лісу давали вже 53 900 т каучуку. У тому ж році з'явився каучук з дерев, вирощених на плантаціях. В останні роки більша частина натурального каучуку видобувається на великих плантаціях Індокитаю. У 1970 р. споживання каучуку в світі склало 7,8 млн. т, частка натурального каучуку в якому склала близько 38%.

Натуральний каучук має порівняно невисокі термостійкість і маслостійкість, схильний до старіння. Сучасні технології дозволяють отримати синтетичний каучук з кращими властивостями. До теперішнього часу розроблено більше 10 видів синтетичних каучуків і не менше 500 їх різних модифікацій. Чудовою якістю відрізняється силіконовий каучук. Він менш еластичний, ніж натуральний, але його властивості в інтервалі температур від 55 до 180 ° С мало залежать від температури, до того ж він фізіологічно нешкідливий. Гомогенні і комірчасті поліуретанові еластомери мають високу зносостійкість, хімічної стійкістю і не піддаються швидкому старінню. Сфера застосування еластомерів дуже різноманітна - від машинобудування до взуттєвої промисловості, але все ж значна їх частка йде на виготовлення шин, потреба в яких зі зростанням потоку автомобілів постійно зростає.

Виробляючи синтетичні каучуки, хімічна промисловість поповнює дефіцит природної сировини - каучуку. Точно так само виробництво синтетичної шкіри зберігає сировина тваринного походження. За своїми властивостями і якістю багато різновидів сучасної синтетичної шкіри мало відрізняються від натуральної шкіри вищої якості.

Синтетичні тканини з'явилися в другій половині XX ст., Хоча впровадження хімічних технологій в текстильну промисловість почалося порівняно давно - близько 200 років тому, коли за допомогою соди і хлорного вапна вдалося істотно поліпшити якість прання та відбілювання. Наприклад, із застосуванням хлорного вапна тривалість відбілювання бавовняної тканини скоротилася з трьох місяців (при луговий отбелке) до шести годин. У другій половині XIX ст. широко впроваджувалися синтетичні органічні барвники тканин. З початку XX ст. хімічні технології стали орієнтуватися на створення нових волокнистих матеріалів. Перше чисто синтетичне волокно - нейлон - створено понад 60 років тому, а потім з'явилися акрил, поліамід, поліефірні волокна. Однак споживачі порівняно швидко оцінили як переваги, так і недоліки синтетичних тканин. Чимало часу минуло, перш ніж вдалося зрозуміти і подолати розбіжності між природними і синтетичними волокнами. Тепер хімія легко відтворює кращі властивості льону, бавовни, вовни, а природні матеріали давно вже стали предметом багаторазового хімічної обробки, що надає, наприклад, бавовні пружність або робить лляну тканину не настільки мнуться. ⁴

Нововведення сьогоднішнього дня торкнулися і геометрію волокон. Виробники текстильної сировини прагнуть зробити нитка можливо тонше. Найтонші синтетичні нитки тканини добре видно під мікроскопом.

Улюблений матеріал сьогоднішніх модельєрів - еластик - зручний не тільки у спортивному одязі, а й у повсякденних костюмах. Існує тканина, в основі якої розміщені дрібні скляні кульки, що відбивають світло. Одяг з неї - хороший захист для тих, хто вночі знаходиться на вулиці, наприклад для регулювальників автотранспортного руху.

Одна з різновидів синтетичного матеріалу - кевлар. Він у п'ять разів міцніше на розрив, ніж сталь, і використовується для пошиття куленепробивних курток. Вельми оригінальна технологія виготовлення тканини для одягу космонавта, яка здатна вберегти його за межами атмосфери від крижаного холоду космосу і пекучої жари Сонця. Секрет такого одягу - у мільйонах мікроскопічних капсул, вбудованих в тканину.

Капсули містять парафіни. При нагріванні вони плавляться, відбираючи тепло, а при охолодженні тверднуть, виділяючи тепло.

Виробництво різноманітних синтетичних матеріалів з ​​дивовижними властивостями свідчить про надзвичайно високий рівень сучасних хімічних технологій.

6. ПЕРСПЕКТИВНІ МАТЕРІАЛИ

6.1 Надміцні матеріали

Асортимент матеріалів різного призначення постійно розширюється. В останні десятиліття створена природно-наукова база для розробки принципово нових матеріалів з ​​унікальними властивостями. У розробці надміцних матеріалів досягнуті певні успіхи. Наприклад, сталь, що містить 18% нікелю, 8% кобальту і 3 - 5% молібдену, відрізняється високою міцністю - відношення міцності до щільності для неї в кілька разів більше, ніж для деяких алюмінієвих і титанових сплавів. Переважна область її застосування - авіаційна і ракетна техніка. Корозієстійкий сплав (62 - 74% кобальту, 20 - 30% хрому, 6 - 8% алюмінію) не руйнується в атмосфері кисню при температурі аж до 1050 ° С, а при вищій температурі навіть агресивна сірчанокисла середовище не чинить на нього помітного впливу.

Велика увага приділяється розробці композиційних матеріалів (композитів) - матеріалів, що складаються з компонентів з різними властивостями. У таких матеріалах міститься основа з розподіленими підсилюють елементами: волокнами і частками зі скла, металу, дерева, пластмаси і ін Велике число можливих комбінацій компонентів дозволяє отримати різноманітні композиційні матеріали. Спосіб виготовлення композитів відомий давно. Ще в 600 р. до н.е. у Вавилоні була побудована башта висотою 90 м з глиняних блоків у яких глина була змішана з козячої шерстю. Подібний спосіб лежить в основі виготовлення сучасних деревних плит, залізобетону та інших матеріалів. При оптимальному комбінуванні речовин з різними властивостями істотно підвищуються міцність і якість композитів.

Цілеспрямоване дослідження властивостей композитів почалося в 60-ті роки XX ст., Коли нові волокнисті неорганічні матеріали з бору, карбіду кремнію, графіту, оксиду алюмінію і т.п. стали поєднувати з органічними або металевими. Композиційні матеріали з волокнистої структурою мають дивовижну міцністю. За допомогою каната товщиною 3 см з борсодержащих волокон можна буксирувати повністю навантажений чотиримоторний реактивний літак. Графітові волокна при 1500 ° С міцніше сталевих волокон при кімнатній температурі. Волокнисті матеріали з бору, графіту і монокристалічного сапфіру (А1 ₂ 0 ₃₎ використовуються переважно в космічній техніці.

При комбінуванні полі-і монокристалічних ниток з полімерними матрицями (поліефір, фенольними і епоксидними смолами) виходять матеріали, які за міцністю не поступаються сталі, але легше її в 4 - 5 разів. Завдяки введенню металевих матриць з нікелю, кобальту, заліза, алюмінію, хрому і їх сплавів підвищуються міцність, еластичність і в'язкість композитів. Наприклад, алюміній, посилений борідним волокном, при температурі 500 ° С має таку ж міцність, як сталь при кімнатній температурі. Композиційний матеріал з монокристалічних ниток з різноманітними матрицями має межу міцності на розрив більше 700 Н / мм ^2.

Матеріал майбутнього повинен бути не тільки надміцним, але і стійким при тривалому впливі агресивного середовища.

6.2 Матеріали, що містять рідкісні метали

Назви «рідкісні метали», «рідкісні елементи», «рідкоземельні елементи» не зовсім вдалі - їх вміст в земній корі в середньому порівнянно або навіть вище, ніж зміст більшості широко використовуваних металів. Таких рідкісних металів, як скандій, церій, лантан, літій, ітрій, ніобій, галій, в земній корі міститься приблизно стільки ж, скільки хрому, цинку, нікелю, міді і свинцю, а стронцію, цирконію, рубідію - набагато більше. Рідкісні метали знаходяться на вершині піраміди поширеності хімічних елементів у поверхневому шарі земної кори. Довгий час не знаходили широкого застосування вони сьогодні опинилися на вістрі передових технологій виробництва сучасних перспективних матеріалів. З їх застосуванням пов'язані нові галузі промисловості, науки і техніки: геліоенергетика, інфрачервона оптика, оптоелектроніка, лазери, комп'ютери і т. п.

Наведемо приклади практичного застосування матеріалів, що містять рідкісні метали. Низьколеговані сталі, до складу яких входить усього 0,03 - 0,07% ніобію і 0,01 - 0,1% ванадію, дозволяють на 30 - 40% знизити масу металевих конструкцій мостів і багатоповерхових будинків, газо-і нафтопроводів, бурильного обладнання і т.п. При цьому термін служби конструкцій збільшується в 2 - 3 рази. Надпровідні матеріали на основі ніобію використовуються в поїздах на повітряній подушці, що розвивають швидкість 577 км / ч. У сучасному легковому автомобілі багато деталей виконані зі сталі з ніобієм і ванадієм, мідно-беріллових сплавів і сплавів з цирконієм і ітрієм, що дозволило зменшити масу автомобіля приблизно в 1,5 рази. Розробляються електромобілі з літієвими акумуляторами, на водневому паливі з нітридом лантану і ін Виробляються паливні елементи на основі оксидів цирконію і ітрію, з ККД до 65%. Із застосуванням освітлювальних ламп з люмінофорами, що містять ітрій, європій, тербий, церій, витрата електроенергії на освітлення знижується в 2 - 3 рази. Арсенід галію використовується у виробництві фотоелементів, інтегральних схем і т.п. Застосування рідкоземельних матеріалів при крекінгу нафти дозволяє знизити споживання дорогої платини і збільшити на 15% вихід високооктанового бензину. Ітрій здатний різко збільшити електропровідність алюмінієвого дроту і міцність нових керамічних конструкційних матеріалів. Зовсім недавно виявилося незвичайна властивість рідкоземельних металів - при їх внесення в грунт на 5 - 10% підвищується врожай сільськогосподарських культур: рису, пшениці, кукурудзи, цукрового очерету, бавовни, фруктів і ін Споживання рідкісних металів швидко зростає. Наприклад, у Японії за період 1960-1985 рр.. воно зросло в 10 - 25 разів.

Результати досліджень показують, що викопне вуглеводневу сировину містить промислово цінні кількості ітрію, лантанідів, ванадію та інших рідкісних металів, вартість яких порівнянна з вартістю самого сировини. Наприклад, в татарської нафти міститься до 700 г / т ванадію, який є цінним, а й дуже токсичною речовиною. При витяганні його з нафти вирішуються одночасно два завдання: видобувається потрібний для багатьох цілей метал і запобігається забруднення навколишнього середовища.

Деякі фахівці переконані: рідкісні метали - майбутнє нової техніки. На порозі тисячоліть сучасна цивілізація переходить із залізного століття в новий - століття легких і надійних матеріалів, що містять рідкісні метали.

6.3 Термостійкі матеріали

Підвищення швидкості хімічних процесів та ефективності роботи багатьох апаратів, двигунів і т.п. досягається при високій температурі, тому створення термостійких матеріалів - одна з найважливіших задач розвитку сучасних хімічних технологій та машинобудування.

До теперішнього часу розроблені перспективні способи виготовлення термостійких матеріалів: імплантація іонів, плазмовий синтез, плавлення і кристалізація в відсутність гравітації, напилення на полікристалічні і аморфні поверхні та ін Для зміни локальних хімічних і фізичних властивостей матеріалів застосовується лазерна технологія. Сфокусований промінь потужного імпульсного лазера здатний короткочасно створювати надзвичайно високу локальну температуру - аж до 10000 К. У точці фокусування лазерного променя змінюються фізичні і хімічні властивості поверхневого шару.

Із застосуванням сучасних технологій отримані, наприклад, нітрид кремнію Si ₃ N ₄ та силицид вольфраму WSi 2 - термостійкі матеріали для мікроелектроніки. Нітрид кремнію володіє чудовими електроізолюючі властивості навіть при невеликій товщині шару - менше 0,2 мкм. Силицид вольфраму відрізняється досить малим електричним опором. З цих матеріалів напилюється тонкоплівкові елементи інтегральних схем.

Представляє практичний інтерес спосіб синтезу нових керамічних матеріалів для виготовлення, наприклад, суцільнокерамічної блоку циліндрів двигуна внутрішнього згоряння. Цей спосіб полягає в литві кремнийсодержащими полімеру у форму з подальшим перетворенням його в термостійкий і міцний карбід або нітрид кремнію. Сучасні графітоволокністие матеріали здатні витримувати температуру до 2000 ° С. Нові технології дозволяють синтезувати більш термостійкі матеріали. ⁵

6.3.1 нітінола

Нитинол є нікель - титановий сплав (55% Ti, 45% Ni), що володіє незвичайним властивістю - зберігати первинну форму. Тому іноді його називають запам'ятовуючим металом. Така властивість нітінола зберігається навіть після його холодного формування і термічної обробки. Для нього характерні над-і термоупругость, висока корозійна і ерозійна стійкість.

Спочатку нітінолових вироби служили переважно для військових цілей - з їх допомогою в бойових літаках з'єднували різні трубопроводи, доступ до яких обмежений. З'єднання вироблялося муфтою, вільно одягненим на кінці з'єднуються трубок. Після пропускання електричного струму муфту нагрівали приблизно на 30 ° С, після чого вона, охолоджуючись, брала первісну форму з меншим діаметром, щільно прилягаючи до кінців трубок. Унікальну конструкцію за допомогою нітінолових муфт вдалося зібрати в космосі при коригуванні орбіти станції «Мир».

Нітінолових фіксатори, муфти, спіралі знаходять застосування в медицині. За допомогою нітінолових фіксаторів ефективніше з'єднуються зламані кістки. Завдяки пам'яті форми нітінолових муфта краще фіксується в яснах, оберігаючи місця зчленувань від перевантажень. Нитинол, володіючи здатністю пружно деформуватися на 8-10%, плавно сприймає навантаження, подібно живому зубу, і в результаті менше травмує ясна. Нітінолових спіраль здатна відновити перетин ураженого тією чи іншою хворобою судини в організмі людини. При впровадженні нітінолових деталей відбувається більш ефективне загоєння ран - адже крім чудових механічних властивостей нитинол ще й біологічно інертний.

Поза всяким сумнівом, нитинол знайде більш широке застосування: при ремонті газо-, нафто-і газопроводів, а також при вирішенні інших завдань.

6.3.2 Рідкі кристали

Рідкі кристали - це рідини, які мають, як і кристали, анізотропією властивостей (зокрема, оптичних), пов'язаної з упорядкованою орієнтацією молекул. Завдяки сильній залежності властивостей рідких кристалів від зовнішніх впливів вони знаходять різноманітне застосування в техніці (в температурних датчиках, індикаторних пристроях, модуляторах світла і т. д.).

Рідкокристалічне речовина складається з органічних молекул з переважно впорядкованої орієнтацією в одному або двох напрямках. Воно має плинністю, як рідина. Кристалічна упорядкованість молекул рідких кристалів підтверджується їх оптичними властивостями. Розрізняють три основних типи рідких кристалів: нематические, смектичних і холестерические. Найменшу впорядкованість мають нематические рідкі кристали. Молекули їх паралельні, але зрушені вздовж своїх осей одна відносно іншої на довільні відстані, тобто довгі, вузькі і в той же час досить жорсткі молекули шикуються подібно сплавляли по річці колодах. Складніша форма молекул - у вигляді площин, з яких утворюється багатошарова щодо упорядкована структура, спостерігається в рідких кристалах смектичних. За структурою рідкі кристали холестерические схожі на нематические, але відрізняються від них закручуванням молекул в напрямку, перпендикулярному їх довгим осях. Крок такий спіральної структури порівняно великий - кілька мікрометрів.

Під дією навіть дуже слабкого електричного поля порушується рівновага орієнтованих молекул, при цьому змінюються оптичні властивості рідкокристалічного речовини: наприклад, з прозорого воно переходить в світлонепроникні.

Прогрес у створенні нових рідкокристалічних матеріалів багато в чому залежить від успішного синтезу молекул сферичної, стержні-або дископодібної форми. Один з перспективних напрямів в хімії рідких кристалів - формування таких структур при синтезі полімерів. ⁶

6.3.3 Оптичні матеріали

Прогрес у розвитку световолоконной індустрії багато в чому визначився технологічної можливістю виготовлення високоміцної кварцовою нитки шляхом хімічної конденсації парової фази. Товщина отриманої таким чином кварцовою нитки зі скляним покриттям становить приблизно 0,1 товщини людської волосини. Удосконалення технології виготовлення кварцових ниток дозволило менш ніж за десятирічний термін приблизно в 100 разів скоротити втрати світлового потоку. З нових оптичних матеріалів, наприклад, таких, як фторидні скла, можна отримати ще більш прозорі волокна. Волоконна оптика відкриває надзвичайно великі можливості для передачі величезного обсягу інформації на великі відстані. Вже сьогодні багато телефонні станції, телебачення з успіхом користуються волоконно-оптичної зв'язком.

Сучасна хімічна технологія зіграла важливу роль і при створенні матеріалів для оптичних пристроїв перемикання, посилення і зберігання оптичних сигналів. Оптичні пристрої оперують в нових тимчасових масштабах обробки світлових сигналів. Наприклад, оптичний перемикач спрацьовує за одну мільйонну мільйонної частки секунди. У сучасних оптичних пристроях використовуються ніобат літію і арсенід галію-алюмінію. Органічні стереоізомери, рідкі кристали і поліацетілени мають кращі оптичні властивості, ніж ніобат літію, і є дуже перспективними матеріалами для нових оптичних пристроїв.

6.4 Матеріали дисоціації металоорганічних сполук

При термічній дисоціації ряду металоорганічних сполук виходять чисті метали різної твердої форми, що володіють унікальними властивостями. До металоорганічні з'єднання відносяться:

- Карбоніли: Mo (CO) _6, Fe (CO) _5, Ni (CO) _4;

- Ацетілацетонати металів: Pd (C ₅ H ₇ 02) 2, Pt (C 5 H ₇ 0 ₂₎ 2, Ru (C ₅ H ₇ 0 _{2) 3;}

- Дікарбонілацетонат родію: Rh (C ₅ H 702) 2 (C 0) ₂ та ін

Цим з'єднанням в газоподібному стані властива висока летючість. Вони розкладаються при нагріванні до 100 - 150 ° С. У результаті термічної дисоціації можна отримати чистий металеву фазу в різних конденсованих формах: високодисперсні порошки, металеві віскерси, безпористі тонкоплівкові матеріали, ніздрюваті металлони, металеві волокна і папір.

Високодисперсні порошки складаються з часток малих розмірів (до 1 - 3 мкм) і використовуються для виробництва металокераміки - композицій металів з ​​оксидами, нитридами, боридами, синтезованих методом порошкової металургії. Металеві порошки, наприклад заліза і нікелю, що володіють магнітними властивостями, застосовуються в радіоелектроніці та електротехніці.

Металеві віскерси - ниткоподібні кристали діаметром 0,5-2,0 мкм і довжиною 5-50 мкм. Для них характерна висока міцність, приблизно в 10 разів перевищує міцність самих високоякісних сталей, висока стійкість до окислення і незвичайні магнітні властивості. Подібні кристали формуються на активних центрах підкладки, де в парамагнітних кластерах утворюється своєрідна ступінчаста монокристалічна структура.

Безпористі тонкоплівкові матеріали відрізняються високою щільністю упаковки атомів. За величиною відображення світла вони наближаються до срібла. Безпористі тонкопленочное покриття товщиною близько 90 мкм надійно захищає метал від корозії навіть в самій агресивному середовищі. Їх корозійна стійкість приблизно в 5 разів вище, ніж, наприклад, гальванічних покриттів.

Комірчасті метали утворюються при осадженні металу в результаті проникнення парів металоорганічних сполук в пори іншого матеріалу, де формується чарункова металева структура.

Металізовані волокна і папір володіють унікальними механічними, теплофізичними і електропровідними властивостями. У майбутньому вони знайдуть широке застосування.

6.5 Тонкоплівкові матеріали для накопичувачів інформації

Будь-яка сучасна обчислювальна машина, в тому числі і персональний комп'ютер, містить накопичувач інформації - запам'ятовуючий пристрій, здатний накопичувати і зберігати великий обсяг інформації. Більшість накопичувачів інформації базується на магнітного запису в накопичувачах інформації на рухомому магнітному носії, де основне - це накопичення інформації, важливим параметром є поверхнева інформаційна щільність запису, яка визначається кількістю інформації, що припадає на одиницю площі поверхні робочого шару носія інформації.

Виготовлення сучасних магнітних накопичувачів великої ємкості засноване на застосуванні тонкоплівкових матеріалів. Завдяки застосуванню нових магнітних матеріалів і в результаті вдосконалення технології виготовлення всіх тонкоплівкових елементів магнітного накопичувача за відносно короткий термін поверхнева щільність запису інформації збільшилася в п'ять разів: у 1998 р. вона становила приблизно 12 Гбіт / дюйм ^2, а в 2000 р. - близько 100 Гбіт / дюйм ^2.

Запис з високою поверхневою щільністю здійснюється на носій, робочий шар якого формується з тонкоплівкового кобальтвмісних матеріалу. Високу щільність запису можна реалізувати тільки за допомогою перетворювачів, тонкоплівковий матеріал магнітопровода яких характеризується великою магнітною індукцією насичення і високою магнітною проникністю.

Для відтворення записаної з високою щільністю інформації застосовується високочутливий тонкоплівковий елемент, електричний опір якого змінюється в магнітному полі. Такий елемент називається магніторезистивним. Він напилюється з високопроніцаемих магнітного матеріалу, наприклад пермаллоя. Відносне зміна електричного опору пермаллоевого елемента в магнітному полі становить близько 2%. Ця величина експериментальних досліджень останнього десятиліття, може досягати (наприклад, в багатошарових тонкоплівкових матеріалах, одношарових гранульованих плівках і інших матеріалах) десятків відсотків, тому їх називають матеріалами з надгігантських магнітоопору.

Таким чином, із застосуванням тонкоплівкових магнітних матеріалів при виготовленні накопичувачів інформації великої ємності вже реалізована досить висока щільність запису інформації. При модернізації таких накопичувачів і впровадженні нових матеріалів слід очікувати подальшого збільшення інформаційної щільності, що вельми важливо для розвитку сучасних технічних засобів запису, накопичення і зберігання інформації.

7. Найважливіші відкриття в галузі хімії XXI століття

2001 Уїльям Ноулз, Ріоджі Нойорі і Баррі Шарплесс «За дослідження, що використовуються у фармацевтичній промисловості - створення хіральних каталізаторів окислювально-відновних реакцій».

2002 Джон Фенн і Койчі Танака «За розробку методів ідентифікації і структурного аналізу біологічних макромолекул, і, зокрема, за розробку методів мас-спектрометричного аналізу біологічних макромолекул».

Курт Вютріх «За розробку застосування ЯМР - спектроскопії для визначення тривимірної структури біологічних макромолекул в розчині». ⁷

Шведська Королівська академія наук оголосила лауреатів Нобелівської премії-2003 з хімії. Ними виявилися 54-річний Пітер ЄДР (Peter Agre) з Медичної школи Університету Джона Хопкінса та 47-річний Родерік МакКіннон з Медичного інституту Говарда Хьюза. 10 мільйонів шведських крон вони отримають "за відкриття каналів в клітинних мембранах".

Учені довго намагалися зрозуміти, яким чином вода і солі (іони) потрапляють всередину живої клітини і виводяться з неї. Зрозуміти ці процеси на молекулярному рівні було принципово важливо для медицини; це відкрило б шлях до лікування хвороб нирок, серця, м'язів, нервів.

Про наявність спеціальних каналів в клітинних мембранах вчені здогадувалися ще з середини 19-го століття, однак виявити їх ніяк не вдавалося. Першим це зробив Пітер ЄДР, коли в 1988-му році виділив мембранний білок, а роком опісля зрозумів, що це і є давно розшукуваний водний канал. Це відкриття дало початковий поштовх величезного спектру біохімічних, фізіологічних і генетичних досліджень. За своє відкриття Пітер ЄДР отримав кілька престижних премій, в 2000-му році був обраний членом Національної академії наук. За цікавому збігу, одночасно з ним американським академіком став і другий Нобелівський лауреат цього року - фізик Олексій Абрикосов.

Водні канали в мембранах, як з'ясувалося, призначені тільки для води та інших молекул, у тому числі й іони солей, не пропускають. Варто було тому шукати іонні канали. І пошуки ці не затяглися. Через 10 років Родерік МакКіннон вразив наукове співтовариство унікальним експериментом, у ході якого зміг визначити просторову структуру калієвого каналу для іонів, який може відкриватися і закриватися різними клітинними сигналами. Про важливість цього відкриття свідчить хоча б той факт, що Шведська Королівська академія відзначила його своєю премією через всього п'ять років - термін для Нобелівських премій надзвичайно короткий. Родерік Маккинон «За вивчення структури і механізму іонних каналів». ⁸

2004 Аарон Цехановер, Аврам Гершко та Ірвін Роуз «За відкриття убіквітин опосередкованого розкладання білка».

2005 Роберт Граббс, Річард Шрок і Ів Шовен «За внесок у розвиток методу метатезіса в органічному синтезі».

У 2006 Нобелівська премія з хімії присуджена за передачу генетичної інформації - американцеві Роджеру Корнбергу, професору кафедри структурної біології Стенфордського університету. Корнберг удостоївся премії "за дослідження молекулярних основ транскрипції в еукаріот" - першого етапу процесу синтезу білка у тварин, рослин і грибів.

Відкриття Роджера Кронберга полягає в описі передачі даних від зберігає спадкову інформацію молекули ДНК молекулі-посередникові, так званої інформаційної РНК.

Завдяки дослідженням Корнберга стало зрозуміло, як, з хімічної точки зору, відбувається передача генетичної інформації з генів до відповідних структур клітини, відповідальним за синтез білків.

Хоча отримані ученим результати відносяться до процесів, що відбуваються в живих організмах, у прес-релізі Нобелівського комітету особливо підкреслюється, що дослідження Корнберга є досягненням у галузі хімії.

Батько Роберта Корнберга - Артур Корнберг також є лауреатом Нобелівської премії в області фізіології і медицини.

Висновок

Таким чином, можна виділити основні риси сучасної хімії, що відрізняють її від класичної хімії другої половини XIX століття.

Перш за все, створення надійного теоретичного фундаменту призвело до значного зростання можливостей прогнозування властивостей речовини. Сучасна хімія немислима без широкого використання фізико-математичного апарату і різноманітних розрахункових методів. Прогностичні можливості хімії поширюються не тільки на властивості речовини, основні кількісні характеристики яких найчастіше можуть бути розраховані до досвіду, а й на умови синтезу цієї речовини.

Ще однією особливістю хімії в ХХ столітті стала поява великої кількості нових аналітичних методів, насамперед фізичних та фізико-хімічних. Широке поширення одержали рентгенівська, електронна та інфрачервона спектроскопія, магнетохімія і мас-спектрометрія, спектроскопія ЕПР (електронного парамагнітного резонансу) і ЯМР (ядерного магнітного резонансу), рентгеноструктурний аналіз і т.п.; список використовуваних методів надзвичайно великий. Нові дані, отримані за допомогою фізико-хімічних методів, змусили переглянути цілий ряд фундаментальних понять і уявлень хімії. Сьогодні жодне хімічне дослідження не обходиться без залучення фізичних методів, які дозволяють визначати склад досліджуваних об'єктів, встановлювати найдрібніші деталі будови молекул, відстежувати перебіг складних хімічних процесів.

Для сучасної хімії також стало дуже характерним все більш тісну взаємодію з іншими природничими науками. Фізична та біологічна хімія стали найважливішими розділами хімії поряд з класичними - неорганічної, органічної та аналітичної. Мабуть, саме біохімія з другої половини ХХ століття займає лідируюче положення в природознавстві. ⁹

Колоїдна та координаційна хімія, кристалохімія і електрохімія, хімія високомолекулярних сполук та деякі інші розділи набувають рис самостійних наук.

Неминучим наслідком вдосконалення хімічної теорії з'явилися нові успіхи практичної хімії. З видатних досягнень хімії XX століття досить згадати хоча б такі, як каталітичний синтез аміаку, одержання синтетичних антибіотиків і полімерних матеріалів. Успіхи хіміків в справі отримання речовини з бажаними властивостями в числі інших досягнень прикладної науки до кінця XX століття привели до корінних перетворень в житті людства. Хіміки знайшли ліки від невиліковних хвороб раніше, отримали речовини і матеріали, використання яких істотно поліпшило умови життя людей. Значною мірою завдяки розвитку прикладної хімії середня тривалість життя людини за двадцяте сторіччя виросла практично вдвічі.

Втім, сучасна хімія дала в руки людей також і ефективні засоби скорочення тривалості людського життя. Досягнення науки далеко не завжди використовуються людьми в благих цілях, не завжди результати практичного використання наукових відкриттів виявляються в точності такими, як очікувалося. Всякий успіх у справі підкорення природи неминуче тягне за собою, поряд з вигодами, ще й поява нових проблем - екологічних, етичних.

Говорячи про успіхи практичного застосування досягнень науки, слід підкреслити, що історія природознавства взагалі і хімії зокрема постійно підтверджує особливу цінність фундаментальних досліджень - "знання заради знання". Історичний досвід переконливо засвідчує, що майже всяке значне наукове відкриття в момент свого здійснення позбавлене практичної цінності. Однак саме на тому, що вивчено фундаментальною наукою десятиліття тому, грунтуються сьогоднішні успіхи науки прикладної.

Ще одним дуже важливим результатом досягнень фундаментальної науки є створення та постійне вдосконалення наукової картини світу. Оскільки наші уявлення про Всесвіт створюються індуктивним шляхом, від приватного до загального, наукова картина світу безперервно уточнюється і в принципі не може бути остаточно завершеною.

З усього вищесказаного можна зробити висновок, що наука хімія постійно вдосконалюється, і це дає світові можливість відкривати новітні горизонти.

Бібліографія

1. Концепції сучасного природознавства: Учеб. для вузів /; Під ред. В. Н. Лавриненко, В. П. Ратникова .- 2-е вид., Перераб. і доп. - М: ЮНИТИ, 2001 .- С. 151-154.

2. Концепції сучасного природознавства: навч. посібник для вузів / За заг. ред. С.І. Самигіна .- Изд. 5-е, доп. і перераб. - Фенікс, 2004.

3. Концепції сучасного природознавства: Учеб. посібник для вузів / А.А. Горєлов .- М.: ВЛАДОС., 2000.

4. Концепції сучасного природознавства: навч. посібник для вузів / Під ред. А.Ф. Хохлова .- вид. 2-е, испр. - Москва: Дрофа, 2004.

5. Концепції сучасного природознавства: Учеб. для вузів / С.Х. Карпенків. - 6-е изд., Перераб. і доп. - М.: Вища. шк., 2003.

6. Лось В.А. Основи сучасного природознавства (концепції, теорії, проблеми) / Под ред. А.Д. Урсула: Учеб. посібник. - М.: ИНФРА-М., 2000.

7. Нуклеїнові кислоти, рідкі кристали і секрети наноконструірованія. Ю. Євдокимов / / Наука і життя .- 2005 .- N 4. - С. 18-24.

8. Див: І. Леенсон. Лауреати Нобелівської премії з хімії 2003 року / / "Хімія і життя - 21 століття.-Http: / / chemworld.narod.ru/old/public/nobel2003. Html.

9. Див: Нобелівські премії з хімії - 21 століття .- http://www.socioforum.su/viewtopic.php?f=65&t=10214.