Реферат на тему:

«ЗНАЧЕННЯ ХІМІЇ У СТВОРЕННІ НОВИХ МАТЕРІАЛІВ. МЕТАЛІЧНІ ТА НЕМЕТАЛІЧНІ МАТЕРІАЛИ.»

Підготувала учениця 11 класу
Томащук Юлія</div>
Для здійснення кожного хіміко-технологічного процесу потрібна апаратура, виготовлена з таких матеріалів, які здатні опиратися різним агресивним впливам, у тім числі хімічним, механічним, термічним, електричним, часом і радіаційним та біологічним.
Хімія робить суттєвий внесок у створення різноманітних матеріалів: металічних і неметалічних. Серед металічних ма¬теріалів найчастіше використовуються сплави на основі залі¬за— чавун і сталь, на основі міді — латунь і бронза, на основі алюмінію, магнію, нікелю, ніобію, титану, танталу, цирконію та інших металів 3 металічних сплавів ви¬готовляються теплообмінники, ємності, мішалки, трубопрово¬ди, контактні апарати, колони та інші апарати.
Для поліпшення якості металічних матеріалів використо¬вують порошкову металургію. Вона включає процеси вироб¬ництва металічних порошків і спікання з них виробів. Сучасна порошкова металургія займається, по-перше, створенням ма¬теріалів і виробів з такими характеристиками (склад, струк¬тура, властивості), яких досі неможливо досягти відомими ме¬тодами плавки; по-друге, виготовленням традиційних мате¬ріалів і виробів, але за вигідніших техніко-економічних показ¬ників виробництва.
У розробці теоретичних основ найважливіших процесів по¬рошкової металургії провідне місце посідає Інститут проблем матеріалознавства НАН України. Перший в Україні (і в ко¬лишньому СРСР) завод порошкової металургії став до ладу в м. Бровари (поблизу Києва) у 1965 р.

Поняття про сплави

Характерною особливістю металів є їх здатність утворювати один з одним або з неметалами сплави. Щоб отримати сплав, суміш металів звичайно піддають плавленню, а потім охолоджують з різною швидкістю, яка визначається природою компонентів і зміною характеру їх взаємодії залежно від температури. Іноді сплави одержують спіканням тонких порошків металів, не вдаючись до плавлення (порошкова металургія). Отже сплави - це продукти хімічної взаємодії металів.
Кристалічна структура сплавів багато в чому подібна чистим металам, які, взаємодіючи один з одним при плавленні і подальшій кристалізації, утворюють: а) хімічні з'єднання, звані інтерметалідами; б) тверді розчини; в) механічну суміш кристалів компонентів.
Той або інший тип взаємодії визначається співвідношенням енергії взаємодії різнорідних і однорідних частинок системи, тобто співвідношенням енергій взаємодії атомів в чистих металах і сплавах.
Сучасна техніка використовує величезне число сплавів, причому в переважній більшості випадків вони складаються не з двох, а з трьох, чотирьох і більшого числа металів. Цікаво, що властивості сплавів часто різко відрізняються від властивостей індивідуальних металів, якими вони утворені. Так, сплав, що містить 50% вісмуту, 25% свинцю, 12,5% олово і 12,5% кадмії, плавиться всього при 60,5 градусах Цельсія, тоді як компоненти сплаву мають відповідно температури плавлення 271, 327, 232 і 321 градус Цельсія. Твердість олов'яної бронзи (90% мідь і 10% олово) втричі більше, ніж у чистої міді, а коефіцієнт лінійного розширення сплавів заліза і нікелю в 10 разів менше ніж у чистих компонентів.
Проте деякі домішки погіршують якість металів і сплавів. Відомо, наприклад, що чавун (сплав заліза і вуглецю) не володіє тією міцністю і твердістю, які характерні для сталі. Крім вуглецю, на властивості сталі впливають добавки сірки і фосфору, що збільшують її крихкість.
Серед властивостей сплавів найважливішою для практичного застосування є жароміцність, корозійна стійкість, механічна міцність і ін. Для авіації велике значення мають легкі сплави на основі магнію, титана або алюмінію, для металообробної промисловості - спеціальні сплави, що містять вольфрам, кобальт, нікель. В електронній техніці застосовують сплави, основним компонентом яких є мідь. Надпотужні магніти вдалося отримати, використовуючи продукти взаємодії кобальту, самарію і інших рідкоземельних елементів, а надпровідні при низьких температурах сплави - на основі інтерметалідів, утворюваних ніобієм з оловом і ін.

Способи отримання металів

Більшість металів знаходиться в природі у вигляді з'єднань з іншими елементами.
Тільки небагато металів зустрічаються у вільному стані, і тоді вони називаються самородними. Золото і платина зустрічаються майже виключно в самородному вигляді, срібло і мідь - частково в самородному вигляді; іноді попадаються також самородні ртуть, олово і деякі інші метали.
Добування золота і платини проводиться або за допомогою механічного відділення їх від тієї породи, в якій вони закладені, наприклад промивкою води, або шляхом витягання їх з породи різними реагентами з подальшим виділенням металу з розчину. Решта металів здобувається хімічною переробкою їх природних з'єднань.
Мінерали і гірські породи, з'єднання металів, що містять, і придатні для отримання цих металів заводським шляхом, носять назву руд. Головними рудами є оксиди, сульфіди і карбонати металів.
Найважливіший спосіб отримання металів з руд заснований на відновленні їх оксидів вугіллям.
Якщо, наприклад, змішати червону мідну руду (куприт) Cu2O з вугіллям і піддати сильному розжарюванню, то вугілля, відновлюючи мідь, перетвориться на оксид вуглецю(II), а мідь виділиться в розплавленому стані:
Cu2O + З = 2Cu + CO
Подібним чином проводиться виплавка чавуну їх залізняку, отримання олова з олов'яного каменя SnO2 і відновлення інших металів з оксидів.
При переробці сірчистих руд спочатку переводять сірчисті з'єднання в кисневі шляхом обпалення в особливих печах, а потім вже відновлюють отримані оксиди вугіллям. Наприклад:
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2
ZnO + З = Zn + CO
В тих випадках, коли руда є сіллю вугільної кислоти, її можна безпосередньо відновлювати вугіллям, як і оксиди, оскільки при нагріванні карбонати розпадаються на оксид металу і двоокис вуглецю. Наприклад:
ZnCO3 = ZnO + CO2
Звичайно руди, окрім хімічного з'єднання даного металу, містять ще багато домішок у вигляді піску, глини, вапняку, які дуже важко плавляться. Щоб полегшити виплавку металу, до руди домішують різні речовини, що створюють з домішками легкоплавкі з'єднання - шлаки. Такі речовини називаються флюсами. Якщо домішка складається з вапняку, то як флюс вживають пісок, який створює з вапняком силікат кальцію. У разі великої кількості піску флюсом служить вапняк.
В багатьох рудах кількість домішок (порожньої породи) така велика, що безпосередня виплавка металів з цих руд є економічно невигідною. Такі руди заздалегідь «збагачують», тобто видаляють з них частину домішок. Особливо широким розповсюдженням користується флотаційний спосіб збагачення руд (флотація), заснований на змочуваності чистої руди і порожньої породи.
Техніка флотаційного способу дуже проста і в основному зводиться до наступного. Руду, що складається, наприклад, з сірчистого металу і силікатної порожньої породи, тонко подрібнюють і заливають у великих чанах водою. До води додають яку-небудь малополярну органічну речовину, що сприяє утворенню стійкої піни при збовтуванні води, і невелика кількість спеціального реагенту, так званого «колектора», який добре вбирається поверхнею мінералу, що флотує, і робить її нездатною змочуватися водою. Після цього через суміш знизу пропускають сильний струмінь повітря, перемішуючу руду з водою і доданими речовинами, причому пухирці повітря оточуються тонкими масляними плівками і утворюють піну. В процесі перемішування частинки мінералу, що флотує, покриваються шаром адсорбованих молекул колектора, прилипають до пухирців повітря, що продувається, підіймаються разом з ними догори і залишаються в піні; частинки ж порожньої породи, що змочуються водою, осідають на дно. Піну збирають і віджимають, одержуючи руду із значним вмістом металу.
Для відновлення деяких металів з їх оксидів застосовують замість вугілля водень, кремній, алюміній, магній і інші елементи.
Процес відновлення металу з його оксиду за допомогою іншого металу називається металотермією. Якщо, зокрема, як відновник застосовується алюміній, то процес носить назву алюмінотермії.
Дуже важливим способом отримання металів є також електроліз. Деякі найактивніші метали виходять виключно шляхом електролізу, оскільки всі інші засоби виявляються недостатньо енергійними для відновлення їх іонів.

Серед неметалічних матеріалів важливого значення набули полімери на основі фенолформальдегідних смол, полівініл¬хлориду, поліетилену і фторопластів. Ці матеріали, на відміну від металічних, виявляють високу стійкість до агресивних середовищ, мають низьку густину, високу тривкість до стирання, добрі діелектричні й теплоізоляційні властивості. Окрім цього, важливе значення мають каучуки та різні мате¬ріали на їх основі — бутилкаучук, фторкаучук, силіконові каучуки тощо.
До групи неметалічних матеріалів належать і такі тради¬ційні матеріали, як кераміка, порцеляна, фаянс, скло, цемент, бетон, графіт, які знаходять дедалі нове і нове використання
Останнім часом вимоги до матеріалів неухильно зроста¬ють. Це пояснюється тим, що значно ширше застосовуються тепер екстремальні впливи — надвисокі й наднизькі тиски та температури, ударні й вибухові хвилі, йонізуючі випроміню¬вання, ферменти. З огляду на це зростає також роль хімії у створенні нових матеріалів, здатних опиратися цим впливам.
Особливе місце серед нових матеріалів посідають компо¬зити.
Композиційні матеріали, що складаються з пластичної основи (матриці) та наповнювача, називаються композитами.
Серед композитів виділяють кермети (кераміко-металічні матеріали), норпласти (наповнені органічні полімери) і піни (газонаповнені матеріали).
Як основу (матрицю) використовують метали і сплави, по¬лімери, кераміку. Наповнювачі, що застосовуються, особливо для композитів на основі пластмас, значно різноманітніші. Від них залежить міцність і жорсткість композитів.
В Україні започатковані принципово нові методи добуван¬ня композитів, наприклад на основі боридів металів (віднов¬лення оксидів металів бором у вакуумі та карбідом бору). Освоєно метод прямого синтезу силіцидів з металу й силіцію, а також безпосереднє відновлення оксидів металів силіцієм тощо. Багатьма своїми властивостями — міцністю, ударною в'язкістю, міцністю від утоми тощо — композити значно пе¬ревищують традиційні матеріали, завдяки чому потреби су¬спільства в них і взагалі у нових матеріалах безперервно зростають. На виготовлення композитів витрачають великі кошти, цим пояснюється той факт, що головними спожива¬чами композитів поки що є авіаційна і космічна промисло¬вості.