Значення хімії у створенні нових матеріалів, розв"язанні сировинної та енергетичної проблем

Реферат на тему:

Значення хімії у створенні нових матеріалів, розв’язанні сировинної та енергетичної проблем Людині потрібні одяг, житло, громадські і промислові будови, знаряддя праці, машини, апарати, технічні та побутові прилади, устаткування для транспорту й зв’язку тощо. З якого матеріалу ви все це виготовлятимете? Це запитання складне і заслуговує на неабияку увагу.

Історики позначають епохи розвитку людства на Землі за їх головним матеріалом: вік кам’яний, вік бронзовий, вік залізний. Із цього погляду наш вік — вік синтетичних і хімічно перероблених матеріалів. Проте метал не зникне із нашого життя, але змінить свої властивості. Теоретично вже доведено, що сучасні металеві вироби могли б бути значно міцнішими. Зменшують їхню міцність над мікроскопічні неоднорідності - досить малі тріщинки, зсуви, неточності в структурі, пустоти, які не зайняті атомами тощо. У лабораторіях вдалося добути тонкі нитки («вуса») однорідного металу, які значно міцніші від сталі. Але від цих «вусів» до монолітних брусків і масового виробництва ще досить далекий шлях.

У кераміки і скла міцність ще менша від теоретичної, ніж у металу. Але нещодавно вдалося підвищити міцність скла в багато разів спеціальною хімічною обробкою його поверхні. Надаючи склу дрібнокристалічної, як у металів, будови, набагато підвищили і його жаростійкість. Винайдено нові вогнетривкі матеріали, дуже потрібні для високотемпературних печей, електротехніки: оксид магнію, оксид торію, нітрити, бориди, карбіди з температурою плавлення від 2500 до 3500 градусів за Цельсієм. Великого значення набувають напівпровідники, які здатні забезпечити безвідмовну роботу машин і в космосі, і в глибинах Землі, і у вогняних печерах, і при абсолютному нулі.

Нові матеріали потрібні для квантових генераторів, лазерів, які породжують могутні промені, здатні різати, плавити, випаровувати, свердлити і посилати сигнали далеко за межі нашої планети. У нинішніх лазерах промінь генерується в кристалі штучного рубіну. Уже знайдено немало й інших речовин для генераторів.

Отже, розвиток техніки неможливий без винайдення нових матеріалів, що мають комплекс спеціальних властивостей, особливо високу механічну міцність і значну стійкість до високих температур при можливо невеликій густині. Потреба в таких матеріалах не обмежується авіаі ракетобудуваннямусе ширше їх застосовують у найрізноманітніших галузях народного господарства.

Як же людина зуміла проникнути в секрети складу й будови найрізноманітніших матеріалів, створити штучні матеріали? Розглянемо це на прикладі алмазу. Першою людиною, яка дала правильне (хоча не повне) тлумачення про хімічний склад алмазу, був Ісаак Ньютон. Як би ми зараз не оцінювали передбачення Ньютона і чим би ми його не вважали — обґрунтованим твердженням або необґрунтованою здогадкою, факт залишається фактом: Ньютон вважав алмаз горючою речовиною.

У 1772 р. А. Лавуазьє довів, що алмаз горить так само, як сірка, фосфор, вугілля.

У 1797 р. було проведено такий дослід. Спалили однакові за масою кількості вугілля, графіту та алмазу. В усіх трьох випадках утворилися однакові кількості однієї і тієї самої сполуки — вуглекислого газу. Це дало змогу твердити, що алмаз складається з вуглецю.

У 1860 р. німецький учений Г. Розе дослідив явище обвуглювання алмазу та його перетворення в графіт.

Ще на початку 90-х років ХІХ століття було відомо, що алмаз, вугілля, графіт — це одна і та сама речовина — вуглець. Алмаз не піддається ніяким змінам при відносно малих температурах, а під час сильного нагрівання перетворюється в графіт. Густина алмазу — 3,5- графіту — 2,2- вугілля в середньому 1,3 г/куб. см, тобто, коли добувають алмаз, графіт необхідно піддавати високому тискув природі алмаз народжується в глибинах Землі, де дуже високі температури і тиски.

Те, що алмаз можна знайти також у залізних метеоритах, привело російського вченого К Д. Хрущова до висновку, що залізо було сприятливою речовиною для утворення алмазу. З практики відомо, що при охолодженні розплавленого заліза, пересиченого в печі вуглецем, виділяється графіт. На відміну від інших металів залізо при остиганні не зменшується в об'ємі, а збільшується. Тому, якщо його швидко охолоджувати, то тверда оболонка, що утворюється (кірка), стискуватиме внутрішню масу, яка намагається розширитися. Отже, в середині неї тиск різко зростає.

Таким чином, природа не тільки підтвердила необхідність високого тиску при добуванні штучного алмазу, а й підказала принциповий проект алмазообробної установки.

На перший погляд, здавалося б, що проблему розв’язано і можна приступати до промислового виготовлення брильянтів. У багатьох лабораторіях різних країн розпочалися досліди з добування штучного алмазу, одне за одним з’являлися повідомлення все нових і нових учених про вдалий синтез алмазу, проте алмазів не було.

З відкриттям рентгенівських променів розпочались інтенсивні дослідження будови алмазу, графіту.

У 30-х роках радянський вчений О. І. Лейпунський обчислив структуру алмазу і знайшов температуру, при якій атоми вуглецю повинні перебудовуватися з графітової структури в алмазну. Він поставив запитання: чи не перетворюватиметься графіт в алмаз при тій самій температурі, при якій алмаз найповніше перетворюється в графіт? Розрахунок ствердив це припущення. Так було створено графік — діаграму стану вуглецю при різних тисках і температурах. Криві показали: для перетворення графіту в алмаз, крім температури 200 градусів за Цельсієм, необхідний тиск не менший за (60−70)*100 000 Н/кв.м тобто в сотні раз більший, ніж міг бути у розпорядженні тих, хто намагався добути штучний алмаз.

О. І. Лейпунський писав, що графіт являє собою кінетично більш вигідний шлях кристалізації вуглецю, ніж алмаз, і внаслідок цього єдино надійний спосіб його виготовлення — кристалізація або ріст кристалів, наявних в межах термодинамічної стійкості (при високих тисках) при температурі, коли можлива рекристалізація графіту. Для цього необхідне вдосконалення техніки одержання високих тисків і підбір середовища для кристалізації. В області, де алмаз менш стійкий, ніж графіт, можливими шляхами є: вирощування алмазу з розчину, який містить вуглець, гартування розплавленого вугілля (також при високому тиску), спіткання алмазної пудри. Отже, рецепт алмазу в загальному, був виписаний, залишилася техніка: тиск, температура…

У 1942 р. розрахунками було доведено, що для росту алмазу необхідно, щоб кількість атом азу необхідно, щоб кількість атомів вуглецю, які торкаються його поверхні або між собою, була не дуже великою, інакше вуглецеві атоми не надбудовуватимуть «помилкові» графітові комірки. Із цього випливає, що під час синтезу алмазу треба керувати не тільки температурою і тиском, а й кількістю самого вуглецю. Проте після публікацій у 1955 р. про синтез алмазів у США і Швеції стало ясно, що наукову частину завдання розв’язано, а повідомлення через два роки про випуск 100 тисяч каратів синтетичного алмазу підтвердило, що створено й заводську технологію його добування.

Наполегливо працювали над проблемою синтезу алмазів і в СРСР, оскільки радянська індустрія потребувала алмазних інструментів. Проте спроби перетворити в алмаз один графіт, без добавлення інших речовин, у яких алмаз розчиняється, до успіху не приводили (О. Лейпунський також наполягав на необхідності застосовувати метали — розчинники, щоб полегшити режим і прискорити процес переходу графіту в алмаз). Було виявлено, що не кожний метал, який добре розчиняє вуглець, можна використати для цієї мети. Свинець, наприклад, непридатний. Отже, метал діє не тільки як розчинник, а й як каталізатор. Найпридатнішим для цього виявилося залізо.

І от, наприкінці 1960 р. під збільшуваним склом засяяли вилучені з преса алмазні зернятка… Радянські вчені Л. Ф. Верещагін, Ю. М. Рябінін і В. А. Галактіонов за синтез штучних алмазів були удостоєні Ленінської премії.

У 1966 р. удалося добути полікристал алмазу. Синтез продовжується лише кілька секунд, і сантиметровий зразок утворюється зразу такої форми, яка потрібна, щоб встановити його в токарний різець, фрезу тощо.

Напружена праця людей, які взяли на себе завдання промислового виробництва алмазів, проводилася в Києві. Київські вчені розуміли, що намагалися виробляти синтетичні алмази без серйозних змін в уже досягнутому в зв’язку зі створенням алмазів, не можна. Перші київські алмази коштували по 135 крб. за карат, майже в 30 раз дорожче, ніж коштували на той час природні алмази. Наполеглива праця, експерименти, створення унікальної камери високого тиску виправдали себе. Починаючи з 1962 р. дешеві київські синтетичні алмази (в середньому по 1 крб. за карат) почали безперервно поступати на підприємства всіх галузей промисловості: виробництва тракторів і автомобілів, кераміки і волокна, кремнію і германію, різців і штампів, вимірювальних інструментів, кінескопів, годинників, взуття тощо. Штучні алмази застосовують для різання, заточування, шліфування та інших технологічних операцій, без яких не можна досягти високої якості виробів.

Бурхливий розвиток нових галузей техніки, таких, як ядерна і ракетна техніка, радіоі квантова електроніка, кібернетика вимагає від хімії матеріалів з поліпшеними і зовсім новими властивостями. Нам потрібно матеріали не тільки міцніші та надміцні, а й особливо надміцні в поєднанні з малою масою, з високою термоі жаростійкістю, зносостійкістю і ударною міцністю, стійкою проти корозії і здатністю надійно працювати в умовах радіоактивного випромінювання та різкої зміни температур. Цілком очевидно, що задовольнити такі різноманітні умови експлуатації можна лише створенням нових конструкційних матеріалів.

У широкому розумінні будь-який сучасний матеріал — це вже композиція, оскільки у чистому вигляді матеріал вживають надзвичайно рідко. Так, до пластиків, наприклад, добавляють наповнювачі. Не часто можна зустріти і чисті матеріали. Більше того, якщо розгледіти матеріали на атомному або молекулярному рівнях, то здебільшого вони полімерів — тільки перші її кроки. Саме в цій галузі людина зможе повною мірою розкрити свої творчі можливості щодо створення речовин, яких ще не було і немає в природі.

Кожної секунди навколо нас відбувається безліч хімічних реакцій. Ви пробігаєте очима ці рядки, уловлюєте їх зміст і в вашому мозку здійснюються сотні і тисячі різних хімічних реакцій. Різні хімічні процеси відбуваються з різною швидкістю. Одні завершуються миттєво (вибух), а інші так повільно (ржавіння металу), що на перший погляд здається, ніби реакція не відбувається. Багато факторів впливає на швидкість хімічної реакції, наприклад, температура, тиск, концентрація реагуючих речовин.

Проведемо такий експеримент. Візьмемо скляну посудину і змішаємо в ній водень і кисень. Скільки б ми не витримували суміш, у посудині не буде виявлено ні краплини води.

Не порушуючи герметичності посудини, введемо в неї тонкий платиновий дротик. Дротик нагрівається, а посудина наповнюється туманом — водяною парою. Температура і тиск залишилися незмінними, а реакція, розрахована на тисячоліття, відбулася за кілька секунд. Виймемо дротик з посудини. Він зовсім не змінився. Його зовнішній вигляд, хімічний склад, маса після досліду такі самі, як були до досліду. Отже, ми стали свідками дуже важливого явища в світі хімічних реакцій — каталізу. Речовина, в нашому випадку платина, яка в багато разів прискорює реакцію, зветься каталізатором.

Каталізаторів дуже багато. Ними можуть бути метали (тверді й порошкоподібні), оксиди різних елементів, солі, луги в чистому вигляді і у вигляді сумішей тощо.

Дуже багато важливих процесів хімічної технології не обходиться без каталізаторів. Так, звичайне металічне залізо з домішками оксидів алюмінію і калію значно прискорює реакцію синтезу аміаку. Різноманітні життєві процеси в тваринних і рослинних організмах відбуваються завдяки спеціальним каталізаторам — ензимам. Своїм нечуваним розквітом хімія ХХ століття зобов’язана, саме застосуванню каталізаторів. Та не будь-який каталізатор може прискорювати даний процес. Хіміки кажуть, що каталізатори мають вибіркову дію. Вони можуть активно впливати на одну реакцію і зовсім не діяти на іншу. Звичайно, із цього правила є винятки. Скажімо, оксид алюмінію здатний каталізувати кілька десятків реакцій органічних речовин і неорганічних. Нарешті, різні каталізатори можуть примусити суміш одних і тих самих речовин реагувати по-різному, утворювати різні продукти.

Є, виявляється, й інші, не менш дивовижні, ніж каталізатори, речовини. Взяті самі по собі, вони «байдуже» ставляться до реакції, а взяті як домішка до каталізатора, вони прискорюють реакцію у більше разів, ніж це зробив би «одинокий» каталізатор. Це так звані промотори. Наприклад, платиновий дротик, «забруднений» залізом, аміаком або оксидом кремнію, значно ефективніше впливає на реакцію водню і кисню.

Отже, як бачимо, каталізатори і промотори відіграють неабияку роль у синтезі як неорганічних так і органічних речовин і високомолекулярних сполук.

Тому зараз у багатьох лабораторіях світу інтенсивно шукають нові ефективні каталізатори. Так, наприклад, широко застосовуються каталізатори на основі шаруватих силікатів. Вони багатофункціональні і проявляють свою активність у різних за характером хімічних реакціях. Каталізатори ж, добуті на основі особливого типу глинистих мінералів, забезпечують високий вихід продукту відносно вихідної сировини (24−25%).

На основі бетонів, скла, пластиків і гуми розвинуто технологію добування легких високо пористих металів з різною поруватістю, різними розмірами і характером пор, але разом з тим з більш високою міцністю. Такі матеріали із замкнутими порами мають чудові теплоізоляційні та звукоізоляційні властивості.

Пористими твердими тілами з дуже розвинутою поверхнею є адсорбенти і каталізатори, а також пористі плівки, що «дихають» — пропускають гази, але не пропускають води і є замінниками шкіри для взуття й одягу.

Незвичайні поруваті матеріали створили київські вчені. Ці матеріали використовують як молекулярні сита. Таке чудо-сито призначене для «просівання» молекул. Наскільки малі отвори повинно мати сито, щоб крізь нього вільно проходили молекули однієї речовини, і затримувалися іншої! Який же матеріал здатний «просіювати» молекули?

Деревне вугілля добре вбирає різні речовини завдяки своїй пористій структурівоно пронизане величезною кількістю найтонших пор і каналів, стінки яких утворюють величезну вбирну поверхню (сотні квадратних метрів на один грам). Нині відомо багато таких речовин — адсорбентів. Їх широко застосовують у промисловості для очищення речовин від домішок, уловлювання пари бензину під час виготовлення гумових виробів тощо.

Київські вчені вирішили створити штучні сорбенти — молекулярні сита з заданою поруватістю та іншими цінними властивостями. Вони синтезували, такі сорбенти, в яких кількість, структура і розмір пор точно регламентовані. Отже, штучні сорбенти здатні пропускати чи затримувати молекули найрізноманітніших речовин у дуже широкому діапазоні, залежно від їх розмірів. Сита з найменшими порами пропускають молекули найрізноманітніших речовин у дуже широкому діапазоні, залежно від їх розмірів. Сита з найменшими порами пропускають молекули діаметром до чотирьох стомільйонних сантиметра, а з більшими — до тридцяти мільйонних сантиметра. Таким чином, молекулярні сита придатні для просівання і малих і великих молекул.

Так, наприклад, щоб добути поліетилен, слід полімеризувати етилен. Але перед цим газ треба очистити від шкідливих домішок, вміст яких не повинен перевищувати однієї десятинної процента. Це можна зробити за допомогою молекулярних сит. Проходячи через металеву колонку, наповнену синтетичною речовиною, із заданою поруватістю, газ повністю очищається і надходить у цех полімеризації. Отже, просто і дешево.

Використовуючи молекулярні сита, можна значно легше і швидше, ніж іншими способами, очистити і розділити суміш різних газів і рідин. Це відкриває неабиякі перспективи в розвитку різних галузей промисловості, зокрема хімії полімерів. Металурги за допомогою молекулярних сит можуть відділити один метал від іншого, наприклад, цинк від кадмію, кобальт від нікелю, літій від натрію, срібло від золотанафтохіміки вловлювали цінні леткі речовини при переробці нафти.

Та молекулярні сита мають ще одну дуже цінну властивість. Вони міцно «захоплюють» молекули певних розмірів у свої пори і «віддають» їх лише при нагріванні. Отже, якщо наповнити сита газами або леткими вогненебезпечними речовинами, вони перетворюються на надійні сховища або своєрідні «контейнери». Так можна зберігати небезпечні речовини протягом довгого часу і транспортувати їх на будь-які відстані.

Величезні споруди, деталі для космічних і підводних кораблів, найточніші оптичні прилади неможливі без скла, — матеріалу, який конкурує з найміцнішими металами та їхніми сплавами. Важко собі навіть уявити світ без скла. Скло, з якого виготовляють віконні шибки, називають звичайним. Та сучасні наука і техніка, побут не можуть задовольнитися тільки ним, оскільки воно має чимало вад. Таке скло легко б'ється, а від незначного перепаду температури тріскається. А ось домішки оксидів деяких металів, наприклад, магнію, калію, бору, алюмінію та інших надають йому термічної і хімічної стійкості. На основі майже чистого оксиду кремнію добувають кварцове скло, яке має дуже малий коефіцієнт термічного розширення, виключно термостійке, вільно пропускає ультрафіолетові промені.

Видів скла дуже багато, і кожний з них своє призначення. Винайшли хіміки й скло, яке затримує ультрафіолетові промені. Таке скло містить багато важкий металів, а також оксиди деяких елементів, а щоб добути темне скло, добавляють ще деякі оксиди або сульфіди. Скло, яке не пропускає ультрафіолетових променів, при електрозварюванні, кінозйомках, опромінюванні кварцовою лампою і при сильному сонячному світлі. Часто скло, яке не пропускає ультрафіолетові промені, буває комбінованим і застосовується для захисту від теплових і видимих променів.

Як гартується сталь, знає, мабуть, кожний. А чи можна загартовувати скло?

Широкий скляний лист дуже нагріли, а потім швидко охолодили. Що ж відбулося при цьому? Зовнішні його шари, відразу охолонувши, сильно стиснули внутрішній шар, який охолоджується дуже повільно. Лист «одягнувши» в невидиму броню, що надала йому незвичайної міцності. Сталініт — так називають у нас загартоване скло. Воно пружне, як стальна пружина, його можна зігнути, після чого скло саме розправиться, прийнявши свою попередню форму. На лист масою сталініту з метрової висоти кинули чавунну кульку масою 1 кг. Кулька відскочила від скла, як м’ячик від кам’яної плити. Підвішували до скла вантажну машину, підняли потужним підйомним краном — скло не тріснуло. «Крихкий, як скло», — казали колись у народі, тепер вже можна говорити: «Міцний, як скло». У наш час скло по праву займає місце поряд з гранітом, мармуром і яшмоювоно може бути і оздоблюваним матеріалом.

Скло півночі, скло півдня… Рідке мило, різноманітне оптичне скло, скляні цеглини, волокна, тканини… Скло, яке не боїться жару… І все це — досягнення останніх десятиліть. Але сьогодні ми ще не дізналися про скло до кінця. Можливо, воно приховує в собі такі властивості, про які зараз ніхто і не підозрює.

Бурхливий розвиток науково-технічного прогресу потребує використання у різних виробництвах все більш високих температур, швидкостей, тисків, хімічно агресивних речовин і середовищ тощо. Витримати такі умови може тільки досить небагато матеріалів, і серед них на першому місці - кераміка.

Кераміка має широкі можливості для використання її в різних галузях народного господарства. Це глиняна цегла, фарфоровий і фаянсовий посуд, майоліка, гончарні вироби, вогнетриви для доменних мартенівських печей, печей для випалювання цементу, коксування вугілля, варіння скла, ізолятори ліній передач, сопла ракетних і турбіни реактивних двигунів, сегнетоелектрики, напівпровідники, облицювальні плитки, прикраси, черепиця, дренажні та кислотостійкі труби, хімічні куператори тощо. Слід зазначити, що тільки основних різновидностей кераміки сьогодні налічується кілька десятків і кількість їх усе збільшується. Основа кераміки — звичайна глина, яка є одним з представників великої групи природних сполук кремнію з киснем і деякими іншими хімічними елементами. Процес виготовлення глиняної кераміки, від вибору сировини до випалювання виробів, ґрунтується на вмілому використанні тих чи інших властивостей різних глин.

Слід зазначити, що глина не така вже проста речовина, як здається на перший погляд. Щоб виготовити керамічні вироби, треба добре знати її фізично-хімічні властивості, процеси, що відбуваються під час формування глиняної маси та умови випалювання тощо. Неабиякої уваги вимагає вибір тривалості сушіння і швидкості випалювання кераміки, оскільки при цьому для керамічних виробів характерна так звана усадка (спікання) — зменшення їх розмірів порівняно з розмірами заготовок на 15−30%. Щоб зменшити усадку, застосовують двократне випалювання, коли вихідним матеріалом для виробів є попередньо випалена глина (порошок).

Ніде і ніколи не будували і не будують так багато житла, промислових і сільськогосподарських споруд, як у нашій країні. Та нічого не можна побудувати без будівельної кераміки: цегли, блоків, черепиці, плиток для підлоги і облицювальних плиток, керамічних труб, штучних пористих наповнювачів для бетону, конструкційних деталей і т. д.

Однією з важливих основ нашої індустрії, є керамічні вогнетриви, оскільки без них неможливо виплавити чавун, сталь та інші метали, будувати теплові електростанції та печі для випалювання самих керамічних виробів, здійснювати багато важливих хімічних реакцій.

Вогнетриви мають бути інертними щодо дії розплавлених металів, шлаків, скла, хімічних речовин. Іноді вони повинні добре проводити тепло, а в інших випадках, навпаки, добре утримувати його, запобігати втраті теплової енергії. Вони мають бути термостійкими і достатньо міцними при високих температурах. Ніякі інші матеріали не можуть замінити вогнетривку кераміку, яку головним чином також виготовляють з глини, що складається переважно зі сполук оксиду кремнію (IV) й оксиду алюмінію. Вогнетривкість глини визначається в основному співвідношенням кількості цих двох компонентів. Щоб підвищити вогнетривкість, до глини добавляють глинозем. Так виготовляють високо-глиноземисті вогнетриви. Усе більшого значення набувають магнезитові, форстеритові, корундові, цирконієві та інші вогнетриви, з яких можна виготовляти навіть «хімічну сорочку» для вогняного потоку.

Новий розквіт, другу молодість знаменує собою технічна кераміка, без якої неможливі електроніка, ракетна техніка, атомна енергетика, квантова оптика, техніка високих температур і тисків. Від кераміки до техніки і від техніки до кераміки — такий шлях сьогоднішнього розвитку науково-технічного прогресу в галузі силікатних матеріалів. Це стало можливим завдяки застосуванню найновіших досягнень з фізики і хімії твердого тіла. Останнім часом з’явилися дивовижні керамічні матеріали з чистих оксидів урану, ітрію, тирану, рідкісноземельних та інших елементів. Слідом за ними було створено ферити, сегнетоелектрики, напівпровідники — суміш різних оксидів у певних співвідношеннях, перетворених у вироби за керамічною технологією.

Усе частіше й частіше з’являються керамічні матеріали, які складаються не з оксидів і їх сполук, а з карбідів, нітритів, сицілидів, берилідів, сульфідів, фтори дів деяких елементів. Є навіть графітова кераміка. За багатьма своїми властивостями — вогнетривкістю, твердістю, хімічною стійкістю, міцністю тощо — ці речовини досить близькі до оксидів, проте різняться за характером хімічних зв’язків і будовою кристалічної решітки. Для них характерний металічний і ковалентний зв’язкивони добре проводять струм, при температурах, близьких до абсолютного нуля, переходять у надпровідниковий стан.

Кераміку можна виробляти не тільки спіканням, а й плавленням. Для деяких потреб її поєднують з іншими матеріалами, наприклад металами. Отже, пройшовши через багато тисячоліть, кераміка не тільки не втратила свого значення, а навпаки, переживає свою другу молодість, мистецтво кераміки перетворюється зараз у науку. З кожним роком з’являються нові, досконаліші види кераміки, зростає її значення в народному господарстві. Одним з видів кераміки є фарфор. Мабуть, мало хто не знає, що з нього виготовляють чайний і столовий посудрізноманітні вази, статуетки, архітектурні прикраси тощо. Цей вид кераміки став настільки масовий і загальнодоступний, що навіть важко повірити, як дорого колись коштували вироби з фарфору. Така кераміка дуже практична і красива, поки що вона не має конкурентів.

Як же виробляють фарфор? Перенесемося у далеке минуле і згадаємо, як виробляли фарфор його винахідники — стародавні китайські гончарі. Вони змішували досить чисту білу пластичну глину каолін з тонко розмеленим каменем «петунтсе». Без цього таємничого каменю утвориться не фарфор, а звичайна біла порувата і непрозора кераміка. Використання «петуантсе» і було головним у секреті китайців.

Зараз багатьом відомо, що до складу фарфорових мас входять три основні компоненти — каолін, кварц і польові шпати. Два перших входять до будівельної кераміки, а у третій компонент — це вже особливість фарфору. У фарфорі, з якого роблять посуд і художні вироби, польового шпату міститься близько 30%, а у фарфорі, з якого виготовляють технічні деталі, його менше, а глинистих речовин більше. Тільки у деяких видах фарфору польового шпату зовсім немає, але тоді добавляють його замінники.

При випалюванні виробів із фарфору глинисті мінерали (каолініт) руйнуються, замість них утворюється нова кристалічна речовина — муліт, і виникає розплав, до складу якого входять домішки кремнезему. Польовий шпат легкоплавкий і під час випалювання його розплав затікає між інші частинки і склеює їх. У результаті цього утворюється досить щільна кераміка, яка майже не має пор. При охолодженні розплав утворює скло, яке надає фарфору здатності просвічуватися, а муліт забезпечує йому міцність і термостійкість. Фарфор не вбирає води та інших рідин і не забруднюється.

Знаючи роль окремих компонентів фарфору, можна в широких межах змінювати його властивості, виробляти такий фарфор, який найбільше задовольнив би наші вимоги.

Є й так званий кістковий фарфор. У ньому польовий шпат і кварц замінено кістковим борошном, яке складається з досить легкоплавких фосфатів кальцію. У такому фарфорі багато скла і мало муліту. Він гарний, добре пропускає світло.

Особливо різноманітний технічний фарфор, у якому змінюється не тільки склад скла, а й вид кристалівразом з мулітом міститься циркон, корунд і т. д. Це надає фарфору або високих електроі радіотехнічних властивостей, або підвищеної жаростійкості, або стійкості проти коливань температури.

Майже весь побутовий і художній фарфор, фаянс і багато інших виробів з технічного фарфору покривають тонким шаром чистого прозорого або «оглушеного» непрозорого скла — поливою, яка надає виробам блиску, захищає від забруднення, підвищує механічну міцність. Під поливу або поверх неї наносять кольорові малюнки, орнаменти, написи.

Є ще фактор, який виготовляють із суміші глини з тальком. Тальк при нагріванні перетворюється подібно до глини. Якщо керамічні вироби виготовляють із суміші каоліну або глини й тальку, то утворюється кристалічна фаза — кордієрит.

Кордієритові кераміка має дивні властивостіїї розміри майже не змінюються з температурою і вона не руйнується навіть під час сильного і швидкого нагрівання чи охолодження. Якщо ж тальк замінити пірофілітом, то керамічні вироби з нього не дають усадки при випалюванні. З нього можна виготовляти деталі досить точних розмірів.

Добре відомо, що китайський фарфор вважався кращим у світі. У чому ж тут секрет? Виявляється, щоб виготовити виріб з фарфору, китайські майстри брали для цього вихідну глинисту масу, спеціально витриману майже 200 років. Звичайно, це досить довгий час. Радянські вчені спробували значно скоротити його. Почали обробляти глинисті суспензії ультразвуком. Експеримент показав, що ультразвук змінює вихідну сировину, проте після припинення його дії дисперсна фаза набувала попередніх властивостей. У наступних дослідах у суспензію каолініту було введено органічну речовину — сечовину. З каолінітом вона утворила новий комплекс, який за своїми параметрами відповідає масі китайського фарфору, тобто за допомогою ультразвуку можна добути високоякісну сировину за кілька хвилин.

Під час буріння свердловин як промивний розчин для підняття на поверхню землі вибуреної породи застосовують розчин твердих речовин у воді, як правило, оброблений хімічними сполуками. У такій системі утворюється просторова структура необхідної міцності, в якій утримуються без осідання різні частинки гірських утворень. Але під час буріння глибоких чи надглибоких свердловин дуже легко натрапити на поклади солі або пластові електроліти. Під дією солей чи електролітів, а також високих температур вода від промивного розчину відділяється, дисперсна фаза, разом з вибуреною породою осідає, прихвачуючи буровий інструмент, і робота зупиняється. Щоб прихвату позбутися, найчастіше застосовують нафтові ванни. Але не завжди це допомагає. Тоді втручаються хіміки.

За допомогою хімічних реагентів розробляється новий склад промивної рідини. Хімічні реагенти обволікають частинки твердої фази досить тонкою плівкою і не дають їм можливості злипатися під агресивною дією пластикових електролітів і сольових покладів. Та більш радикальним способом запобігання прихвачуванню є використання спеціальних глин, які самі по собі в цих умовах досить температуросолестійкі. Таку глину — палигорськіт — знайшли геологи у 1958 р. на Черкащині. Хіміки всебічно дослідили її і випробували. За допомогою промивного розчину такої глини можна успішно бурити на сотні й тисячі метрів у глибину нашої планети.

Слід також зазначити, що жодна свердловина не може бути завершеною без застосування так званих тампонуючи систем, за допомогою яких закріплюють стінки свердловини і запобігають обвалам, перетіканню води, нафти тощо. Із цією метою до звичайних цементних розчинів, які з часом твердіють, добавляють хімічні домішки або неорганічні затравлювачі кристалізації (солі деяких металів, азбест, природні перліти та цеоліти). Завдяки втручанню хіміків радянські бурильники на Кольському півострові пробурили свердловину завглибшки понад 10 км.

Створення нових промивних рідин для нафтового і газового пошуків в умовах надвисоких температур і сольового над насичення — дуже важливе завдання для хіміків.

Розповідаючи про кераміку, ми весь час згадували глину. Виявляється, без неї не може існувати майже жодна сфера нашого життя. Її використовують у різноманітних виробництвах: наповнювачів, будівельної, технічної і побутової кераміки, промивних рідин для сучасного буріння нафтових і газових свердловин, адсорбентів, каталізаторів, мінеральних фарб, жаростійких замазок, ливарних сумішей і залізорудних окатишів, паперу, ліків, парфумерних виробів, піноматеріалів, керамічних фільтрів, високотемпературних сопел, захисних покриттів, газонепроникних композитів, гідротехнічних та іригаційних споруд, регуляторів структури ґрунтів, високовольтних ізоляторів, напівпровідників, миючих засобів і т. д. І це, звичайно, не повний перелік виробництв, де застосовують різні глини.

А що ж таке глина?

Глини утворилися на поверхні Землі в результаті вивітрювання магматичних гірських порід. Вітер, сонце, коливання температур поступово руйнували гірські мінерали. Продукти вивітрювання переносилися річками, льодовиками або вітром і утворювали відклади піску і глини.

Складаються глини із суміші багатьох тонко подрібнених мінералів: тут і залишки не розкладеної материнської породи, кварцовий пісок, карбонати кальцію і магнію, слюда, гіпс, органічні залишки і т. д. Проте всі ці речовини — домішки, а головна складова частина глин — це тільки глині властиві мінерали — каолініт, монтморилоніт, галуазит, палигорськіт, гідрослюда та ін. Їх називають глинистими мінералами. Від складу, будови, властивостей цих мінералів залежить якість глини. Зазначимо, що всі глинисті мінерали — гідро алюмосилікати, трьома головними компонентами яких є оксиди алюмінію, кремнію та вода. Крім складу, глини відрізняються одна від одної і забарвленням.

З найбільш легко плавних глин виготовляють звичайну червону цеглу, з більш тугоплавких, які залишаються після випалювання світлими і гарними — облицювальну кераміку, з ще більш тугоплавких — керамічні плитки, кислототривку кераміку, фаянс. Чисті білі глини і каолініти йдуть на виготовлення фарфору, а глини, що містять багато оксиду алюмінію (особливо тугоплавкі), — на шамотні вогнетриви.

Неабияке значення в різних галузях народного господарства мають неорганічні клеї. Слово «клей» у кожного з нас асоціюється із склеюванням паперу, картону, плівок, і здається дивним склеювання деталей будинків, мостів, найрізноманітніших інженерних споруд тощо. Ви скажете, що це вигадка і такого не може бути. Не поспішайте з висновками.

Візьмемо, наприклад, звичайний цемент і розмішаємо його з водою. Ми дістанемо пластичне тісто, яке поступово стає твердим. Саме твердіння і забезпечує системі властивості твердого тіла, а адгезія — властивості клею.

У природі відомі процеси утворення досить міцних зростків кристалів при повільній кристалізації малорозчинної сполуки з розчину, але для цього потрібні століття, як наприклад, для формування сталактитів і сталагмітів. Багато промислових суспензій при нормальній температурі й тиску, повільно висихаючи протягом днів, тижнів, також перетворюються в тверду масу, але з малою межею міцності при стискуванні. Ключі властивості таких суспензій надзвичайно малі. Тому зараз завдяки втручанню хіміків створено нові системи, у яких затвердіння і адгезія відбувається протягом такого часу, який робить можливим їх практичне застосування, а механічні властивості матеріалів можуть бути дуже високими. Ось такі системи і називаються неорганічними клеями, які з побуту й будівництва поширились у машинобудування, металургію, електротехніку.

Отже, клеями називають склади, які здатні змочувати тверді поверхні і мають добрі адгезійні властивості. При нормальній температурі або нагріванні вони можуть тверднути, склеюючи однакові або різнорідні матеріали. Неорганічні клеї можна використовувати не тільки для склеювання деталей і вузлів, а й як основу композиційних матеріалів, вони можуть бути основою температуростійких електроізоляційних або захисних покриттів тощо.

Клеї поділяються на клеї-порошки, клеї-розчини, клеї-дисперсні системи, клеї-пасти.

Широкого практичного застосування набули клеї-цементи з кислотними і водосольованими утворювачами, а також клеї зв’язки алюмофосфатні, хромофосфатні, магній-фосфатні, клеї на основі оксинітратів і оксихлоридів алюмінію і цирконію, силікатів лужних металів, рідкого скла, концентрованих розчинів кремнієвої кислоти і гетерополісполук, а також алюмосилікатні клеї і зв’язки з неорганічних смол. Клеї-цементи використовують для склеювання, грануляції, агломерації, формування, покриття для металів, виробництва композиційних металів.

Клеї-цементи на неводних розчинниках і у вигляді розплавлених солей і металів застосовуються як, хімічно стійкі клеї і матеріали на їх основі, здатні працювати в умовах глибокого холоду, високих температур і тисків. Фосфатні клеї використовують для склеювання металів, кераміки з металами, скла з керамікою і металами, для одержання захисного теплоі енергопокриття металів, вогнетривких мас і виробів, жаростійких бетонів, електроізолюючих замазок тощо. Клеї на основі оксинітратів і каталізаторів, миттєвих форм з електрокорунду, склоподібних силікатних покриттівклеї на сонові силікатів лужних металів — для спеціальної кислотривкої замазки, захисту корпусів хімічної апаратури, формувальних сумішей у ливарному виробництві, одержання абразивних виробів, силікатних фарб, брикетування шихт у скловарінні тощо.