Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Савчин

Тема 5

ХІМІЯ ТА ПРОГРЕС ЛЮДСТВА

§ 41. РОЛЬ ХІМІЇ В СТВОРЕННІ НОВИХ МАТЕРІАЛІВ, РОЗВИТКУ НОВИХ НАПРЯМІВ ТЕХНОЛОГІЙ

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

• пояснювати поняття «матеріали», «порошкова металургія»;
• характеризувати металічні та неметалічні матеріали; чисті та надчисті метали; розвиток нових напрямів технологій;
• робити висновки про роль хімії в створенні нових матеріалів;
• оцінювати значення хімії в створенні нових матеріалів, розвитку нових напрямів технологій.

Вивчаючи курс хімії, ви неодноразово дізнавалися про використання нових матеріалів у науці та техніці, суспільному господарстві й побуті.

Пригадайте, що таке матеріали.

Отже, матеріалами називають речовини, які використовують для виготовлення фізичних тіл, предметів для вжитку чи виробництва. Оскільки наука розвивається в напрямі нових відкриттів, то її продукти будуть корисними для суспільства та кожної людини зокрема.

Хімічна наука впродовж свого розвитку працює над поясненням не тільки природних явищ, а й тих, що відбуваються під час різних процесів: приготування їжі, виплавлення металів тощо. Важливими напрямами є створення нових матеріалів, добування екологічно чистих речовин, створення умов для зростання добробуту та забезпечення здорового способу життя людей.

У шкільному курсі хімії ви вже ознайомилися, з яких речовин виготовляють відомі нині матеріали. Природними ресурсами для створення нових матеріалів є металічні та неметалічні матеріали.

Металічні матеріали. Про металічні матеріали та їхні сплави ви довідалися, вивчаючи метали (§ 25).

Пригадайте застосування алюмінію, міді, заліза та їхніх сплавів, скориставшись рис. 49-51, с. 137, 139.

У промислових масштабах використовують магнієві, титанові, нікелеві й інші сплави.

Магній, як металічний матеріал, використовують для синтезу органічних сполук, у піротехніці, як розкислювач у металургії, відновник металів у виробництві сплавів. Магнієві сплави належать до найлегших конструкційних матеріалів. Характеризуються високою міцністю, легкою обробкою, доволі добре піддаються різанню та зварюванню.

Дуже важливим матеріалом для виготовлення радіоламп є металічний цирконій. Проте значно ширшого застосування як матеріали набули його сплави. Зокрема, сплав з нікелем і кобальтом використовують як замінник швидкорізальної інструментальної сталі; сплав цирконію з міддю, нікелем і кобальтом — при виготовленні різальних інструментів, зварювальних електродів, хімічної апаратури. Цирконій оксид досить тугоплавкий, тому його застосовують як матеріал для виробництва дроту, тиглів, цементу. Також широко використовують сплави цирконію з оловом, залізом, нікелем і хромом, що мають високу міцність і корозійну стійкість.

Довідатися більше про титан та його сполуки ви зможете, ознайомившись із рис. 65.

Рис. 65. Схема застосування титану та його сполук

Важливе значення в створенні нових матеріалів має порошкова металургія, суть якої полягає в створенні технології виробництва порошків і виготовленні виробів з них. Основна перевага порошкової металургії — добування матеріалів, які неможливо отримати іншим способом. Це тугоплавкі матеріали вольфраму й танталу, сплави на основі їхніх карбідів; композиційні матеріали з металів і неметалів; пористі матеріали тощо. Крім того, учені створюють матеріали з кращими техніко-економічними показниками. Це сприяє економії металу, оскільки вироби виготовляють литтям. Використовуючи чисті порошки під час спікання, отримують матеріали з меншим вмістом домішок і кращими показниками твердості, термостійкості, стійкості до корозії та дії радіації тощо.

Технологія порошкової металургії дає значний економічний ефект, оскільки: а) покращується якість матеріалу; б) отримують матеріали з особливими властивостями або заданими характеристиками, які неможливо отримати іншим способом; в) традиційне виготовлення сплавів є більш затратним для промисловості.

Металургійна промисловість виробляє не тільки сплави, а й чисті та надчисті метали.- Це золото, платина й платинові метали, срібло тощо. Надчисті матеріали мають дуже низький вміст домішок. Їх у 100 й більше разів менше, ніж у чистих. Масова частка домішок може становити всього 0,0001 %.

Розрізняють такі кваліфікації металічних матеріалів, як «чистий», «чистий для аналізу» та «хімічно чистий». Матеріали кваліфікації «чистий» застосовують для експериментів та у виробництві, а «чисті для аналізу» — для аналітичних робіт у наукових дослідах, що потребують високої точності. «Хімічно чисті» матеріали призначені лише для аналітичних досліджень.

Неметалічні матеріали. З неметалічних матеріалів широкого застосування набули полімери, на основі яких добувають синтетичні смоли та пластмаси й каучуки. Вони міцні, стійкі до стирання та дії агресивних середовищ, високих температур, добрі діелектрики. Неметалічними матеріалами, виробництво яких ґрунтується на хімічних процесах, є кераміка, цемент, скло, бетон (див. § 38). Це універсальні будівельні матеріали, які застосовують у всіх будівельних галузях. У сучасному будівництві широко застосовують залізобетонні конструкції.

Композиційний матеріал, або композит, — матеріал, у якому поєднуються два або більше компонентів, що нерозчинні або малорозчинні один в одному й мають різні властивості. Ці матеріали складаються з основи та наповнювачів. Кожний компонент виконує свою функцію: пластична основа — це зв'язувальний матеріал, а наповнювач надає міцності (рис. 66, а).

Рис. 66. Композити: а — на основі поліетилену; б — деревинно-полімерний композит (ДПК)

Особливий клас матеріалів — природні, зокрема деревинні. Їх поділяють на лісоматеріали та деревинні композиційні (рис. 69, б). Деревинні композиційні матеріали отримують обробкою натуральної деревини за високих температур під тиском, просочуванням деревини хімічними речовинами та склеюванням. За такої обробки змінюється її природна фізична структура та хімічний склад.

Металокерамічні композити (кермети) отримують пресуванням заготовок з порошків (металів і кераміки) з подальшим їхнім спіканням.

Виробляють також композити на основі алюмінію, берилію, нікелю, кобальту. Матриці цих композитів можуть складатися з чистих металів або сплавів на їхній основі. Серед сплавів важливу роль відіграють силіциди металів. Їх виготовляють за технологією прямого синтезу силіцидів з металу та силіцію. Крім того, розроблено технологію відновлення оксидів металічних елементів силіцієм.

Норпласти — це композити, основою яких є полімери. Наповнювачі норпластів дуже різноманітні. З них виготовляють автомобільні коврики.

До композитів належать піни — матеріали, наповнені газами.

Композити мають високу міцність, пластичність, пружність і зносостійкість.

Новими композиційними матеріалами, які використовують в авіаційній та ракето-космічній техніці, є матеріали на основі боридів і силіцидів металів. Це нова технологія, яка створена та впроваджена в Україні.

Підсумовуючи зазначене, доходимо висновку, що хімія відіграє важливу роль у створенні нових матеріалів, які набули широкого застосування в багатьох галузях суспільного господарства.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Матеріалами називають речовини, що використовуються для виготовлення фізичних тіл, предметів для вжитку чи виробництва.

• Розрізняють металічні та неметалічні матеріали. Металічні матеріали — сплави на основі міді, алюмінію, магнію, титану.

• Порошкова металургія — технологія виробництва порошків і виготовлення виробів з них, що дає змогу добувати матеріали, які неможливо отримати іншим способом. Це тугоплавкі матеріали вольфраму й танталу, сплави на основі їхніх карбідів.

• З неметалічних матеріалів створено синтетичні полімери, каучуки, кераміку, цемент, скло.

• Новими матеріалами є група неметалічних, які отримали назву композити. Це матеріали, у яких поєднуються два або більше компонентів, що складаються з основи та наповнювачів.

• До композиційних матеріалів належать кермети, норпласти, піни. Нові композиційні матеріали, які використовують в авіаційній та ракето-космічній техніці, виготовляють на основі боридів і силіцидів металів.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Поясніть, як ви розумієте поняття «матеріали».
• 2. Охарактеризуйте: а) металічні матеріали та їхні сплави; б) неметалічні матеріали, які широко використовують у промисловому виробництві.
• 3. Обґрунтуйте, у чому переваги технології застосування порошкової металургії.
• 4. Поясніть, що таке композиційні матеріали. Охарактеризуйте склад і застосування керметів, норпластів, пін.
• 5. Для аналізу сплаву заліза на вміст вуглецю спалили зразок сплаву масою 3 г. Унаслідок реакції утворився карбон(IV) оксид об'ємом 11,19 мл (н. у.). Обчисліть масову частку вуглецю в сплаві. Визначте, який це сплав.
• 6. Хром(ІІІ) оксид масою 76 кг відновили методом алюмінотермії. Маса утвореного хрому становила 48 кг. Обчисліть відносний вихід продукту реакції.
• 7. Ферум(ІІІ) оксид масою 64 кг відновили вуглецем. Маса утвореного заліза становила 20 кг. Обчисліть відносний вихід продукту реакції.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Композиційні матеріали набули широкого застосування, оскільки характеризуються особливими властивостями. Так, композити на основі берилію, у яких як матрицю використовують берилій оксид або берилій карбід, застосовують для тривалої роботи за високих температур.

• Магнієві композити зміцнюються його оксидом. Їм властиві низька щільність і тривала міцність. Перспективою є використання в авіації.

• Нікелево-кобальтові композити використовують за температур понад 1000 °С. Високої міцності досягають завдяки введенню торій та гафній оксидів масовою часткою 2-4 %. Як матрицю використовують сплав нікелю з хромом (ніхром) або сплав кобальту з цирконієм. Галузі застосування — авіаційна та космічна техніка.

• У розробці теоретичних основ найважливіших процесів порошкової металургії провідне місце посідає Інститут проблем матеріалознавства НАН України. Перший в Україні завод порошкової металургії став до ладу в м. Броварах (поблизу Києва) у 1965 р.

• Композити використовували в будівництві екологічно чистих осель. Це валики глини, змішаної із соломою, з яких викладали стіни та перегородки між кімнатами. Пізніше цей матеріал замінили цеглою.