Кремний в виде соединений чрезвычайно широко распространен в земной коре, однако пока недостаточно используется. Силикаты составляют 97% всей массы земной коры. Соединения кремния могут стать в ближайшем будущем основным сырьем для производства практически всех строительных материалов и полуфабрикатов для изготовления керамики, способной конкурировать с металлами.

2.2 Проблема частичной замены металлов новыми видами керамики

Вторая проблема состоит в последовательной замене металлов различными видами керамики. Металлы и керамика - это два вида материалов, которые на 90% составляют материальную основу условий жизни человечества.

В мире ежегодно производится около 600 миллионов тонн металла - свыше 150 кг на каждого жителя планеты. Керамики вместе с кирпичом производится столько же. Однако изготовление металла обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем изготовление керамики.

Керамика в некоторых случаях оказывается более подходящим конструкционным материалом по сравнению с металлом. К преимуществам керамики следует отнести ее жаропрочность и более низкую плотность (в среднем на 40% по сравнению с металлом).

Вовлечение в производство керамики новых элементов (титан, бор, германий, хром, молибден, вольфрам) дает возможность получить огнеупорную, высокотвердую керамику, прозрачную, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств.

В нашей стране впервые в мире в 1980-х получен сверхтвердый материал - гексанит-р как один из кристаллических разновидностей нитрида бора. На основе бора и азота получено химическое соединение простейшего состава N3B3 температурой плавления свыше 3200 оС и твердостью, близкой к твердости алмаза. Синтетический гексанит-р обладает рекордно высокой вязкостью разрушения, т.е. он не так хрупок, как все другие керамические материалы.

До сих пор всей конструкционной керамике был присущ общий недостаток - хрупкость, теперь сделан шаг к его преодолению. Большим преимуществом технической керамики нового состава является то, что детали машин из нее производятся прессованием порошков с получением готовых изделий заданных форм и размеров. Это исключает токарную обработку заготовок, сверление, фрезерование.

Сегодня можно назвать еще одно уникальное свойство керамики: сверхпроводимость некоторых ее образцов при температуре выше температуры кипения азота(-196 оС). Открытие этого свойства керамики произошло благодаря вовлечению в ее производство таких новых для нее химических элементов, как барий, лантан и медь. Взятые в едином комплексе они вызвали сенсацию в мире науки и техники.

Реализация высокотемпературной сверхпроводимости открывает невиданные возможности для создания сверхмощных двигателей и электрогенераторов, транспорта на магнитной подушке, для разработки сверхмощных электромагнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космос.

2.3 Элементоорганические соединения, их использование в создании современных материалов

Третья проблема заключается в расширении производства элементоорганических соединений на базе органического синтеза.

В первой половине двадцатого века химия знала лишь несколько типов элементоорганических соединений: магнийорганические соединения общей формулы R-Mg-I; цинкорганические соединения R2Zn и органические производные металлов R-Na; R-Li.

Начиная с середины XX века в синтез элементоорганических соединений стали вовлекаться все новые химические элементы - алюминий, титан, хром, марганец, ванадий, железо, свинец, олово, кремний, фосфор, сера, мышьяк, фтор.

Например, химия кремнийорганических соединений позволила создать многотоннажное производство разнообразных полимеров, обладающих огнезащитными, водоотталкивающими, электроизоляционными и другими ценными свойствами.

Подлинным «революционером» в химической промышленности стала химия фторорганических соединений. Химия фторорганических соединений противопоставляет углеводородам фторуглероды: тетрафторметан CF4; гексафторэтан - CF3-CF3; тетрафторэтилен - CF2=CF2 и их производные, в составе которых имеется суперпрочная связь C-F

Фторуглероды и полимеры на их основе (тефлон) обладают исключительной устойчивостью к действию агрессивных сред (сильные кислоты и щелочи), низкой адгезией (малой способностью к прилипанию), повышенной способностью растворять кислород и абсолютной безвредностью для человеческого организма. В связи с этим, тефлон применяется в качестве материала для нужд восстановительной хирургии (протезы, сердечные клапаны), для изготовления долговечных подшипников скольжения, не требующих смазки и антипригарных покрытий. Перфторуглероды в виде эмульсий входят в состав кровезаменителей, косметических средств, твердых смазок и т.д.

Cинтез фторорганических соединений - это шаг к новым веществам, обладающим специфическими потребительскими свойствами, что поднимает всю химическую науку на новую ступень.

В результате, учение о составе веществ существует и сегодня, только оно теперь уже представляет собой часть химии, входящую в иерархическую Систему современной химии.

Ваша точка зрения?

1. Как природа распределила свои материальные ресурсы?

2. Как соотносятся между собой химические элементы железо и алюминий по запасам их сырья в физически доступном слое Земли и по использованию их в производстве конструкционных материалов?

3. Каковы возможные перспективы использования разных химических элементов - металлов в качестве конструкционных материалов?

4. Каковы общие недостатки и преимущества керамики по сравнению с металлами?

5. Каковы основные области применения элементоорганических соединений?

2.4 Выводы

1. На уровне учения о составе решались три основные проблемы: проблема химического элемента; проблема химического соединения; проблема вовлечения все большего числа химических элементов в производство новых материалов.

2. Химический элемент - это совокупность всех атомов, которые обладают одинаковым зарядом ядра.

3. Химическое соединение - это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет химической связи объединены в частицы - молекулы, комплексы, монокристаллы или другие агрегаты.

4. Чаще всего человек использует те элементы, запасы сырья которых ограничены. В перспективе следует расширить возможности использования алюминия, магния и, может быть, кальция в создании материалов ближайшего будущего.

5. Необходима последовательная замена металлов различными видами керамики.

6. К уникальным свойствам некоторых современных образцов керамики относятся высокая вязкость разрушения, сверхпроводимость при низких температурах (t = -1960С).

7. На базе органического синтеза происходит расширение производства элементоорганических соединений: кремнийорганических и фторорганических.

8. Химия кремнийорганических соединений позволила создать производство разнообразных полимеров, обладающих огнезащитными, водоотталкивающими, электроизоляционными и др. ценными свойствами.

9. Фторуглероды обладают исключительной химической инертностью, особой поверхностной активностью, повышенной способностью растворять кислород и перекиси.

3. Проблемы и решения на уровне структурной химии

В данном разделе речь идет об особом уровне развития химических знаний, на котором главенствующую роль играет структура молекулы реагента.

Свойства веществ, и их качественное разнообразие, обусловлены не только их составом, но и структурой их молекул.

Химия превращается из аналитической науки, занимающейся изучением состава готовых веществ, в науку преимущественно синтетическую, способную создавать новые вещества и новые материалы.

3.1 Эволюция понятия «структура» в химии

Содержание понятия «структура» ни по Берцелиусу, ни по Жерару не давало конкретных указаний для практических работ в области синтеза новых веществ. Такие конкретные указания появились на следующей ступени эволюции понятия «структура» в химии. Кекуле сформулировал основные положения теории валентности и обосновал наличие у углерода четырех единиц сродства (валентности), у азота- 3-х, у кислорода - 2-х и у водорода одной единицы. Объединение атомов в молекулу, согласно Кекуле, происходит путем замыкания свободных единиц сродства (валентности).

Комбинируя атомы разных химических элементов с их единицами сродства, можно создавать структурные формулы любого химического соединения. Это означает, что химик может запланировать синтез любого химического соединения, как уже известного, так еще никому не известного. Формульный схематизм Кекуле - прямой путь к практическим действиям по получению веществ с заданными свойствами. Однако, это далеко не полная гарантия успеха: намеченная химическая реакция может просто не пойти. Формульный схематизм Кекуле не указывает на реакционную активность реагентов. Знания о химической активности реагента имеют первостепенное значение для практики получения целевых продуктов. Эти знания дает теория химического строения А.М. Бутлерова. Теория Бутлерова потому и названа теорией химического строения, что она указывала на причины активности одних веществ и пассивности других. Именно поэтому она стала для химиков действительным руководством в практике синтеза органических веществ.

Идеи об энергетической неэквивалентности химических связей, обусловленной взаимным влиянием атомов в структуре молекулы, являются главным содержанием понятия «структура» в теории Бутлерова.

Теория химического строения Бутлерова нашла физические обоснования в квантовой механике.

Сегодня под структурой молекулы мы понимаем и пространственную, и энергетическую упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер, электронов и обладающих единой молекулярной орбиталью.

Таким образом, эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, с другой - установления характера физико-химического взаимодействия между ними. С точки зрения системного подхода, под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.

3.2 «Триумфальное шествие органического синтеза»

Возникновение структурной теории позволило химикам впервые обрести мощный инструмент для целенаправленного качественного преобразования веществ. Именно в 1860-1880-е годы появился термин «органический синтез», означавший целую область науки. В 1860-е годы на основе простейших углеводородов из каменноугольной смолы и аммиака были синтезированы анилиновые красители - фуксин, «анилиновый черный», ализарин. В дальнейшем были получены индиго, флавоны, ксантоны, взрывчатые вещества - тринитротолуол (тротил), тринитрофенол (пикриновая кислота), лекарственные препараты - уротропин, аспирин, фенацетин, антифебрин, салол, антипирин. Химики с гордостью заявляют о своих «ничем не сдерживаемых» возможностях.

За вторую половину XIX века число органических соединений возросло с полумиллиона, примерно, до двух миллионов. Успехами синтетической химии можно восторгаться, но их не следует абсолютизировать.

3.3 Пределы структурной органической химии

Пределы эти обусловлены собственно тем не высоким уровнем химических знаний, на котором находится вся концептуальная система структурной химии.

Она ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения веществ.

Структурная химия оказалась не в состоянии указать пути осуществления процессов производства этилена, ацетилена, бензола, и диеновых углеводородов из парафиновых углеводородов нефти, хотя все эти процессы составляют основу нефтехимического производства, и их оказалось легко осуществить посредством химической кинетики и термодинамики.

Многие реакции препаративного органического синтеза, основанные лишь на принципах структурной химии, имеют низкие выходы конечного продукта и отходы в виде побочных продуктов, что затрудняет их использование в промышленной технологии.

Классический органический синтез трудно управляем в технологическом отношении, как правило, он является многостадийным. Это было показано на примере синтеза каучука.

3.4 Новые проблемы структурной химии

Новый класс металлорганических соединений, имеющий двухслойную структуру, называется «сэндвичевые соединения». Наиболее изученным из них является ферроцен, у которого катион железа Fe2+ координируется между двумя пятичленными ароматическими кольцами. Вслед за ним были получены другие сэндвичевые соединения с центральными атомами кобальта Со, никеля Ni, титана Ti, ванадия V, и других переходных металлов. Данные соединения сыграли свою роль в коренном пересмотре представлений о валентности и химической связи, и нашли практическое применение в синтезе полимеров и лекарственных средств.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6