Физические способы получения химических веществ

Лабораторные способы получения неорганических веществ

Основные способы получения (в лаборатории) конкретных веществ, относящихся к изученным классам неорганических соединений.

Лабораторные способы получения веществ отличаются от промышленных:

Лабораторные способы получения веществ	Промышленные способы получения веществ
Реагенты могут быть редкими и дорогими	Реагенты распространенные в природе и дешевые
Условия реакции мягкие, без высоких давлений и сильного нагревания	Условия реакции могут быть довольно жесткими, допустимы высокие давления и температуры
Как правило, реагенты — жидкости или твердые вещества	Реагенты — газы или жидкости, реже твердые вещества

Получение углекислого газа в лаборатории

Углекислый газ CO₂ в лаборатории получают при помощи аппарата Киппа при взаимодействии соляной кислоты с мелом или мрамором:

Получение угарного газа в лаборатории

В лаборатории угарный газ проще всего получить, действуя концентрированной серной кислотой на муравьиную кислоту:

HCOOH → H₂O + CO

Получение сероводорода в лаборатории

Сероводород в лаборатории легко получить действием разбавленной серной кислоты на сульфиды металлов, например, сульфид железа (II):

Эта реакция также проводится в аппарате Киппа.

Получение аммиака в лаборатории

Аммиак в лаборатории получают при нагревании смеси солей аммония с щелочами.

Например , при нагревании смеси хлорида аммония с гашеной известью:

Эти вещества тщательно перемешивают, помещают в колбу и нагревают.

Получение азотной кислоты в лаборатории

Азотную кислоту в лаборатории получают действием концентрированной серной кислоты на кристаллический нитрат натрия и калия при небольшом нагревании:

При этом менее летучая кислота вытесняет более летучую кислоту из соли.

При более сильном нагревании образуется сульфат натрия, но и образующаяся азотная кислота разлагается.

Получение ортофосфорной кислоты в лаборатории

При взаимодействии ортофосфата кальция с серной кислотой при нагревании образуется ортофосфорная кислота:

Получение кремния в лаборатории

В лаборатории кремний получают при взаимодействии смеси чистого песка с порошком магния:

2Mg + SiO₂→ 3MgO + Si

Получение кислорода в лаборатории

Кислорода в лаборатории можно получить при разложении целого ряда неорганических веществ.

Чаще всего в лаборатории кислород получают разложением перманганата калия:

Выделяющийся кислород можно собрать вытеснением воздуха:

Также кислород можно собирать методом вытеснения воды:

Обнаружить кислород можно очень просто: тлеющая лучинка вспыхивает в атмосфере кислорода.

Кислород можно получить также разложением пероксида водорода:

Реакция катализируется оксидом марганца (IV) MnO₂.

Разложение бертолетовой соли KClO₃ — еще один способ получения кислорода в лаборатории:

2KClO₃ → 2KCl + 3O₂

Реакция также протекает в присутствии катализатора, оксида марганца (IV) MnO₂.

Получение водорода в лаборатории

Водород в лаборатории можно получить различными методами.

Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород:

При взаимодействии минеральных кислот (не сильных окислителей) с активными металлами и металлами средней активности также образуется водород.

Например , соляная кислота реагирует с цинком с образованием водорода:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Собирать водород можно методом вытеснения воздуха, так как водород — гораздо более легкий газ, чем воздух.

Также для собирания водорода подходит метод вытеснения воды, так как водород плохо растворим в воде:

Водород выделяется также при взаимодействии активных металлов (расположенных в ряду активности до магния) с водой.

Например , натрий активно реагирует с водой с образованием водорода:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

Получение хлора в лаборатории

Стр. 162в лаборатории можно получить различными методами.

Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород:

При взаимодействии минеральных кислот (не сильных окислителей) с активными металлами и металлами средней активности также образуется водород.

Получение хлороводорода в лаборатории

Стр. 162в лаборатории можно получить различными методами.

Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород:

Добавить комментарий Отменить ответ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Источник

Разработка новых веществ и материалов

Содержание:

Разработка новых материалов предполагает изготовление сверхпрочного сырья. Современными специалистами производятся аппараты, с помощью которых создаются высокие гидростатические давления. Ученые определяют условия синтеза сверхпрочного и ультратвердого материала и его оптимизацию, исследуют физико-механические и химические свойства синтезируемого сырья, которые зависят от условий его добычи.

На странице -> решение задач по химии собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам химии.

Разработка новых веществ и материалов

Одно из важнейших направлений, определяющих развитие всех отраслей промышленности, строительства, медицины и сферы услуг – это новые материалы. Изменения укладов жизни человечества связаны с открытием и освоением производства новых материалов. Материалы – это ступени нашей цивилизации, а новые материалы – это трамплин для прыжка в будущее, меняющий облик нашего бытия. Когда мы говорим о критериях, определяющих приоритетные, критические технологии (качество жизни, безопасность, конкурентоспособность и т.д.), одним из важнейших критериев является такая характеристика технологии – как способность коренным образом изменить, “перевернуть” всю структуру производства, а возможно, и социальных условий жизни человечества. К таким технологиям, вероятно, относятся информационные технологии, биотехнологии, генная инженерия. К этим же технологиям относятся и технологии получения новых материалов. По экспертным оценкам в ближайшие 20 лет 90% материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к революции в различных областях техники. О перспективности работ по новым материалам свидетельствует и тот факт, что почти 22% мировых патентов выдаются на изобретения в этой области. Об этом же говорит и динамика роста мировых рынков основных видов новых материалов до 2000 года. Особенно заметен прогресс в разработке производстве неорганических материалов – это керамика, материалы для микроэлектроники и пр.

Разработка и создание новых материалов

Одно из важнейших направлений, определяющих развитие всех отраслей промышленности, строительства, медицины и сферы услуг — это новые материалы. Изменения укладов жизни человечества связаны с открытием и освоением производства новых материалов. Материалы — это ступени нашей цивилизации, а новые материалы — это трамплин для прыжка в будущее, меняющий облик нашего бытия.

Современные материалы можно получить, используя современные технологии. К таким технологиям, очевидно, относятся информационные технологии, биотехнологии, генная инженерия. К этим же технологиям относятся и технологии получения новых материалов. По экспертным оценкам, в ближайшие 20 лет 90% материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к революции в различных областях техники. В этой связи ведущую роль играет химия. Но химия связана с другими науками, без которых развитие современных технологий невозможно. Именно поэтому инновации в химической отрасли часто выступают не изолированно, а соотносятся с другими науками, другими областями знаний и практическими сферами: физикой, биологией, экологией, утилизацией отходов, альтернативной энергетикой <рис. 78). В этих областях открытия в химии обычно реализуются, получают свое практическое применение. Прогресс медицины и охраны здоровья — это проблемы химии болезней, лекарств, пищи; нейрофизиология и работа мозга — это прежде всего нейрохимия, химия нейромедиаторов, химия памяти.

Человечество ждет от химии новые современные материалы с магическими свойствами (наноматериалы), новые источники и аккумуляторы энергии, новые чистые и безопасные технологии и т. д. Химия, обладая огромными возможностями, создает ранее невиданные материалы, умножает плодородие почвы, облегчает труд человека, экономит его время, одевает, сохраняет его здоровье, создает ему уют и комфорт, изменяет внешность людей.

Рис. 78. Связь химии с другими науками

Перед химиками стоят очень большие задачи — получение новых видов топлива, новых материалов и новых пластиков, которые удовлетворяли бы новым требованиям; предвидение химических свойств окружающей среды.

«Успехи химии сейчас настолько впечатляющие, что можно говорить о прорывном ее развитии: наноматериалы, нанороботы, новая химия, «зеленая химия» и т. д. При этом настоящий «взрыв» химических знаний произошел в XIX веке, когда научились искусственным путем получать красители, душистые, лекарственные и многие другие вещества, которых в природе никогда не было и быть не могло! В 2013 году число известных человеку веществ достигло 27 миллионов! И еще более впечатляющие задачи стоят перед химией в будущем!

К основным направлениям развития современной химии относятся:

— синтез новых, в том числе не существующих в природе, химических элементов и веществ;

— синтез дендримеров (молекулы, построенные по фрактальному типу — когда все вещество составлено одной гигантской молекулой (по принципу алмаза) (рис. 79);

Рис. 79. Дендримеры

— синтез неметаллических (в том числе стеклообразных) полупроводников;

— синтез неметаллических (керамических) высокотемпературных сверхпроводников;

— создание мультисенсорных систем типа «электронный нос», «электронный язык» на основе неселективных сенсоров, разработка методов распознавания образов (с применением искусственных нейронных сетей) при интеграции химии, физики, математики;

— компьютерная химия, компьютерное моделирование молекул (молекулярный дизайн) и химических реакций (рис. 80);

Рис. 80. Компьютерные модели молекул: а) альбумина человека; 6) молекулы лекарства

— синтез и исследование наноструктур, развитие и применение на-нотехнологий; синтез фуллеренов и нанотрубок (рис. 81);

— синтез полимерных полупроводников;

— химия чрезвычайно быстротекущих реакций (фемтохимия);

— развитие химии одиночной молекулы;

— развитие компьютерной химии;

— создание «молекулярных машин»;

— создание и развитие «химической медицины», решение проблемы «химического бессмертия».

Следует подчеркнуть, что сейчас невозможно представить химию без новейших компьютеров. Современный исследователь-химик уже не может ограничиться лишь традиционными химическими знаниями, навыками и экспериментами. Параллельно и даже с некоторым опережением должно проводиться моделирование химических систем.

Рис. 81. Нанотрубки, нанонити, фуллерены

Соответствующие методы получили столь большое распространение, что составили основу так называемого молекулярного дизайна, или моделирования молекул (рис. 82).

Рис. 82. Компьютерные модели молекул аминокислоты и структур белка

Владение методами компьютерной химии становится, таким образом, необходимым требованием к любому современному специалисту-химику. Более того, современные компьютерные программы обладают высокой распространенностью, поэтому работать с ними может, в принципе, любой школьник-старшеклассник.

Можно смело утверждать, что прогресс в химии означает прогресс и в других областях науки и техники. Это объясняется практически неограниченными возможностями химической науки, которая позволяет интенсифицировать процессы во всех сферах материального производства, кардинально менять свойства старых материалов, создавать новые. Иллюстрацией возможностей химии именно в этой области служат два таких широко известных примера, как многообразное семейство химических волокон, появившихся на свет за последние два-три десятилетия, и создание специальных полимерных материалов без которых невозможна современная электротехническая промышленность (рис. 83).

Рис. 83. а) нанопластик; 5) наночип

Очень интересно выглядят известные полимеры (хлорофилл) под микроскопом (рис. 84).

Рис. 84. Фото хлорофилла в современном микроскопе

Современная химия развивается в различных областях. Она изучает формы молекул, скорость реакций, строение единичных молекул. Важным аспектом является нанотехнологии.

Природные и синтетические соединения с физиологической активностью

Важной задачей химии, в частности фармацевтической, является создание новых высокоэффективных лекарств. Перед такой химией стоит задача создания лекарств против онкологии, СПИДа, сердечных проблем (инсультов и инфарктов) и т. п. Как решается эта задача, в чем сложность этой задачи?

Разработка таких лекарств является важной задачей компьютерной химии, поскольку очень важно «видеть в пространстве предполагаемую молекулу».

Химия совместно с биологией решила много проблем, например, расшифровку строения и синтез биологически важных алкалоидов, витаминов и стероидов, а вершинами ее достижений в середине нашего века надо считать полные химические синтезы хинина, стрихнина, пенициллина и т. п. Пути биологии и химии в познании механизмов жизнедеятельности пролегают рядом, и это естественно, ибо живая клетка — настоящее царство больших и малых молекул, непрерывно взаимодействующих, возникающих и исчезающих.

Здесь находит сферу приложения и одна из новых наук — биоорганическая химия.

Биоорганическая химия — наука, которая изучает связь между строением органических веществ и их биологическими функциями.

Итак, объектами изучения биоорганической химии являются:

1) биологически важные природные и синтетические соединения: белки и пептиды, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды;

2) биополимеры смешанного типа — гликопротеины, нуклеопротеины и т. п.; алкалоиды, витамины, антибиотики, гормоны, феромоны, токсины;

3) синтетические лекарственные препараты, пестициды и др.

Биополимеры — высокомолекулярные природные соединения,

которые являются основой всех организмов. Это белки, пептиды, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды.

Биорегуляторы — соединения, которые химически регулируют обмен веществ. Это витамины, гормоны, антибиотики, алкалоиды, лекарственные препараты и др.

Знание строения и свойств биополимеров и биорегуляторов позволяет познать сущность биологических процессов. Так, установление строения белков и нуклеиновых кислот позволило развить представления о матричном биосинтезе белка и роли нуклеиновых кислот в сохранении и передаче генетической информации.

К проблемам, решение которых связано с исследованиями в области биохимии, относятся:

— создание строго специфичных высокоактивных катализаторов (на основе изучения строения и механизма действия ферментов);

— прямое превращение химической энергии в механическую (на основе изучения мышечного сокращения);

— использование в технике химических принципов хранения и передачи информации, осуществляемых в биологических системах, принципов саморегулирования многокомпонентных систем клетки в первую очередь избирательной проницаемости биологических мембран и многое др.

Рис. 85. Хиральность молекул

Одним из важных аспектов химической активности молекул, в том числе лекарств, является хиральность. Что это такое?

Хиральность. Молекулы, в которых имеется хотя бы один атом углерода, соединенный с четырьмя различными заместителями, называются асимметрическими, или хиральными. Другими словами, это молекулы, не имеющие ни центра, ни плоскости симметрии.

Хиральность (от др.-греч. — «рука») — свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. Термин основан на древнегреческом названии наиболее узнаваемого хирального предмета — руки. Так, левая и правая руки являются зеркальными отражениями, но не могут быть совмещены друг с другом в пространстве. Попытайтесь надеть левую перчатку на правую руку или пожать правую руку друга левой рукой — и тогда вы поймете, что такое хиральность (рис. 85).

Ниже приведено пространственное изображение хиральной молекулы и ее зеркального отражения.

На первый взгляд может показаться, что это одна и та же молекула, изображенная по-разному. Однако, если вы соберете модели обеих форм и попытаетесь совместить их так, чтобы все атомы совпали друг с другом, вы быстро убедитесь, что это невозможно, т. е. оказывается, что молекула несовместима со своим зеркальным отражением. Таким образом, две хиральные молекулы, относящиеся друг к другу как предмет и его зеркальное изображение, не тождественны. Эти молекулы (вещества) являются изомерами, получившими название энантиомеров, или оптических изомеров (рис. 86). Большинство химических и физических свойств пары энантиомеров идентичны.

Однако энантиомеры по-разному взаимодействует с другими хиральными молекулами, в частности с веществами природного происхождения, образующимися в биологических объектах. Например, если один из энантиомеров токсичен, то другой может и не обладать этим свойством. Если одни из энантиомеров представляет собой витамин, то второй такими свойствами не обладает. Эти различия в биохимических свойствах энантиомеров связаны с тем, что биохимические процессы в живом организме катализируются ферментами <энзимами). Ферменты представляют собой хиральные соединения белковой природы. Для того чтобы соединение было биологически активным, его геометрия должна соответствовать строению определенного участка фермента. Например, аминокислоты (кроме глицина) существуют в двух стерео-изомерных формах — L и D, вращающих плоскость поляризации света соответственно влево и вправо. Все живые организмы синтезируют и усваивают только L-аминокислоты, a D-аминокислоты для них либо безразличны, либо вредны.

Рис. 86. Оптические изомеры (энантиомеры)

Молекулы, не имеющие элементов симметрии, называются хиральными.

Изомеры, молекулы которых хиральны и являются зеркальными изображениями друг друга, называются энантиомерами. Энантиомеры имеют идентичные физические и химические свойства и различаются характером взаимодействия с другими хиральными веществами, например ферментами.

Разработка и синтез лекарственных препаратов

Создание нового лекарства — чрезвычайно сложная проблема, требующая затрат значительных средств и труда многих людей. В настоящее время лекарственные средства получают главным образом посредством химического синтеза. Разработка лекарств включает в себя следующие стадии:

1. Замысел создания нового лекарства. В этом процессе заняты ученые: фармакологи и химики.

2. Синтез предварительно отобранных реагентов.

3. Фармакологический скрининг. Он включает отбор лучших и отброс непригодных структур.

4. Клиническая проверка. Ее проводят только для перспективных структур.

5. Разработка технологии производства нового лекарства и наиболее рациональной лекарственной формы.

6. Внедрение нормативных документов (стандартизация).

7. Внедрение препарата в производство. Рассмотрим химический аспект создания

новых лекарств. Установление зависимости между химическим строением вещества на организм имеет огромное значение. Это позволяет проводить синтез более эффективно. Приведем следующие закономерности:

Класс веществ	Свойства
Ненасыщенные органические вещества	Активность выше, чем у насыщенных соединений.
Галогены	Усиливают активность алифатических и ароматических соединений. Но галогены усиливают их токсичность. Хлор и бром снижает кровяное давление, но усиливают наркотическое действие.
Кислород	Зависит от того, в состав какой функциональной группы входит. Так, гидроксильная группа усиливает фармакологический эффект. Причем он растет от первичных к третичным спиртам. Для альдегидов и кетонов его присутствие усиливает лечебный эффект.
Азот	Усиливает действие веществ на различные отделы нервной системы. А нитросоединения усиливают сосудорасширяющий эффект. Аминогруппы, как правило, усиливают токсичность лекарств. Причем, токсичность растет от первичных к третичным аминам.
Сера	Усиливает действие противоопухолевых средств.

Приведем еще один интересный факт. Как вы уже знаете, бензол и остальные арены являются сильно токсичными веществами. Но, если в состав бензольного кольца ввести различные функциональные группы, то эффект будет следующим:

Алкильные радикалы — усиливают токсичность бензола; Нитрогруппа — нарушает работу нервной системы; Галогены — усиливают антисептические свойства; Карбонильные группы — усиливают токсичность; Карбоксильная группа — снижает токсичность, делая вещество лекарственным средством:

Аминогруппа — производные проявляют жаропонижающее действие и противоспазмовое действие.

Большое значение имеет изучение связи между фармакологической активностью и стереохимией молекул органических соединений. Так, например, в гетероциклах играет роль: число циклов, расположение заместителей, оптическая активность. Так никотиновая кислота входит в состав витамина РР, а изо никотиновая кислота такой активности не имеет (рис. 87).

Рис. 87. а) никотиновая кислота; в) изоникотиновая кислота

Важным фактором является оптические формы молекул лекарственных средств. Так, в большинстве случаев, правовращающие изомеры более активны, например, у молекул пенициллина. Но самым сильным лекарственным эффектом обладают левовращающие изомеры. Так, левовращающие гиосдиамин в 40 раз, адреналин в 17 раз, тироксин в 4 раза активнее, чем их правовращающие антиподы (рис. 88).

Рис. 88. Формула адреналина

Также важным является фактор растворимость. Этот эффект необходимо учитывать, так как растворимость оказывает существенное влияние на проникновения лекарства из кишечника в кровь, т. е. такие процессы как всасывания, фильтрация, диффузия и т. д. Кроме этого, растворимость зависит от гидрофильности (растворимости в воде) и гидрофобности (отталкивания воды). Зависимость этих факторов выглядит так, как представлено в ряду (перечислены в порядке уменьшения гидрофильности):

Процесс всасывания зависит и от рН показателя. Кислоты и щелочи оказывают раздражающий эффект, поэтому их включат в лекарства в маленьких концентрациях. Но очень важным моментом является введение в лекарства амфолитов (вспомните, какие вещества к таким относятся).Такие вещества усиливают лечебный эффект.

Молекулярная масса. Чем больше молекулярная масса, тем менее эффективно вещество, при этом, эффект может смениться вплоть до противоположного.

Поверхностное натяжение. Например, это очень важно для роста стафилококков и других бактерий.

В заключении хотелось бы отметить, что каждый из перечисленных факторов не играет определяющую роль, но важны их сочетания и комбинации.

Открытие аспирина. В качестве конкретного примера приведем разработку такого важного лекарства — аспирин.

♦ Еще 2500-3500 лет назад, в древнем Египте и Риме, были известны целебные свойства ивовой коры, естественного источника салицилатов, как жаропонижающего и болеутоляющего средства. Немецким египтологом Георгом Эберсом описано применение таких средств при ревматической боли и радикулите. Около тысячи лет спустя отец медицины Гиппократ в своих наставлениях рекомендовал использовать ивовую кору в виде отвара при лихорадке и родовых муках. Затем профессор химии Йоган Бюхнер выделил из коры ивы активную субстанцию — горький на вкус гликозид, названный им салицин (от лат. Salix — ива). Вещество оказывало жаропонижающее действие и при гидролизе давало глюкозу и салициловый спирт. Французский аптекарь Анри Леруа произвел гидролиз салицилового спирта. В 1838 года итальянский химик Рафаэль Пириа разделил салицин на две части, выявив, что лечебными свойствами обладает его кислая составляющая. В 1859 года профессор химии Герман Кольбе из Марбургского университета раскрыл химическую структуру салициловой кислоты, что позволило открыть первую фабрику по ее производству в Дрездене в 1874 года. Однако, все существующие на то время терапевтические средства из коры ивы обладали очень серьезным псбочным эффектом — они вызывали сильную боль в животе и тошноту.

Огромная популярность салицилата натрия пробудила немецкого химика Феликса Хоффмана (рис. 89), он разработал новый метод получения ацетилированной формы салициловой кислоты — ацетилсалициловую кислоту, которая обладала все теми же терапевтическими свойствами, но гораздо лучше переносилась больными. Это открытие вполне можно назвать фундаментом создания препарата (рис. 90).

Рис. 89. Ф. Хоффман

Рис. 90

Название: Ацетилсалициловая кислота (аспирин).

Молекулярная масса: 180

Температура плавления: 133 — 138°С

Константа диссоциации: рКа = 3,7.

Физические свойства: бесцветные игольчатые кристаллы моноклинной структуры. В чистом виде не имеет запаха, но во влажной среде (например, в случае контакта с воздухом) приобретает запаха уксусной кислоты.

Употребляют как противовоспалительное, обезболивающее, жаропонижающее средство.

Получение аспирина:

Промышленное получение

В промышленности аспирин получают в ходе многостадийного синтеза из толуола, который в свою очередь является крупнотоннажным промышленным продуктом. Механизм описан далее.

1) Толуол (I) хлорируют в присутствии катализатора AlCl₃:

2) Аддукт (II) окисляют атомарным кислородом (озоном) при температуре t = 0-5°С в водной эмульсии:

3) Полученную о-хлорбензойную кислоту (III) омыляют 30% водным раствором гидроксида натрия:

4) Солевую форму салициловой кислоты (IV) переводят в свободную кислоту:

5) Салициловую кислоту (V) ацилируют уксусным ангидридом,при этом получается аспирин (VI):

6) Продукт перекристаллизовывают из воды и отправляют на фасовку.

Лабораторное получение

В лаборатории аспирин получают по следующим двум несколько измененным схемам:

1) 1 Способ получения из бензола

2) 2 способ получения из бензола

В настоящее время аспирин является одним из самых выпускаемых лекарств в мире.

Таксол (паклитаксел). Брутто-формула — C₄₇H₅₁NO₁₄. Таксол является одним из основных современных противоопухолевых препаратов, прочно утвердившихся в системе лечения больных раком молочной железы, раком легких, раком яичников, эпителиальных опухолей головы и шеи, т. е. в лечении наиболее часто встречающихся злокачественных опухолей человека.

Создание лекарств является сложным физико-химическим процессом. С точки зрения химии учитывается строение, пространственное строение, растворяемость в воде и т. д.

Нанотехнология

В современном мире за последние несколько лет происходит стремительное развитие нанотехнологий. Особенность нанотехнологий заключается в возможности их применения в неограниченной сфере, поэтому они являются базисом для совершенно нового технологического уклада экономики. Нанотехнологии наряду с информационными и биотехнологиями служат фундаментом научно-технической революции в XXI в. Возможности их разностороннего применения в таких областях экономики, как производство полупроводников, медицина, сенсорная техника, экология, автомобилестроение, строительные материалы, биотехнологии, химия, авиация и космонавтика, машиностроение и текстильная промышленность, несут в себе огромный потенциал роста. Применение продукции нанотехнологий позволит сэкономить на сырье и потреблении энергии, сократить выбросы в атмосферу и, как следствие, будут способствовать устойчивому развитию экономики (рис. 91).

Рис. 91. Развитие нанотехнологий

Нанообъекты. В переводе с греческого слово «нано» означает карлик. Один нанометр (нм) — это одна миллиардная часть метра (10 -9 м). Размеры объектов, с которыми имеют дело нанотехнологии, лежат в диапазоне от 0,1 до 100 нм. Большинство атомов имеют диаметр от 0,1 до 0,2 нм, а толщина нитей ДНК — около 2 нм. Нанометр во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли.

Рис. 92. Эмбриональные стволовые клетки человека

Идея о том, что вполне можно собирать устройства и работать с объектами, которые имеют наноразмеры, была впервые высказана Ричардом Фейнманом в 1959 г. По словам Фейнмана человек очень долго жил, не замечая, что рядом с ним живет целый мир объектов, разглядеть которые он не в состоянии.

Тем не менее мы сами состоим из устройств, которые прекрасно научились работать с нанообъектами. Это наши клетки — кирпичики, из которых состоит наш организм. Клетка всю свою жизнь работает с нанообъектами, собирая из различных атомов молекулы сложных веществ. Собрав эти молекулы, клетка размещает их в различных своих частях — ядре, в цитоплазме, в мембране. Представьте себе возможности, которые открываются перед человечеством, если оно овладеет такими же нанотехнологиями, которыми уже владеет каждая клетка человека! (рис. 92).

Сейчас химики используют для синтеза новых веществ сложные и разнообразные приемы. Как только физики создадут устройства, способные оперировать отдельными атомами, многие методы традиционного химического синтеза могут быть заменены приемами «атомной сборки». Химики будут заказывать синтез, а физики — просто «укладывать» атомы в предлагаемом порядке. Развитие техники манипуляции на атомарном уровне позволит решить многие проблемы химии и биологии.

Примерами нанообъектов образующих наноструктуры, являются углеродные нанотрубки, фуллерены, квантовые точки и дендримеры.

Первыми устройствами, с помощью которых стало возможным наблюдать за нанообъектами и передвигать их, стали сканирующие Фондовые микроскопы — атомно-силовой микроскоп (АСМ) и туннельный микроскоп. Создание атомно-силового микроскопа дало возможность, наконец, «пощупать и увидеть» нанообъекты. Основой АСМ служит микрозонд, представляющий собой тонкую пластинку. На ее конце расположен очень острый шип (кантилевер), оканчивающийся одним или группой из нескольких атомов (рис. 93, 94).

Рис. 93. кантилевер

Рис. 94. Туннельный микроскоп и результат сканирования

Заслуга нанотехнологий состоит и в том, что они способы придавать привычным на первый взгляд материалам дополнительные свойства. Одним из таких примеров является высокопрочный бетон. Специалисты утверждают, что новый бетон прослужит верой и правдой лет 500. На его основе можно возводить небоскребы, большие мосты (рис. 95).

В химическом производстве применяют и нанокатализаторы. Примерами таких реакций могут служить следующие реакции:

1. Синтез бензола из ацетилена (палладий на пленке MgO):

2. Окисление угарного газа кислородом (нанокластеры золота):

3. Гидрирование монооксида углерода (наночастицы кобальта сферической формы):

Рис. 95. а) бетон с нанопокрытием; б) современные здания с наноматериалами

Последние годы вложений ознаменовались бурным рею том интереса к нанотехнологии и ростом вложений инвестиций в нее. И это вполне понятно, учитывая, что нанотехнологии обеспечивают высокий потенциал экономического роста, от которого зависят качество жизни населения, технологическая и оборонная безопасность, ресурсо- и энергосбережение. Сейчас практически во всех развитых странах действуют национальные программы в области нанотехнологии (схема 13).

§74. НАНООБЪЕКТЫ. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ

Существуют два основных подхода к синтезу наночастиц: «снизу вверх» — из отдельных атомов и молекул, используя преимущественно химические реакции; «сверху вниз» — механическим или иным дроблением более крупных частиц. Рассмотрим это подробнее (табл. 33 и рис. 96)

Способы получения наночастиц

1. Осаждение наночастиц из газовой фазы: Физическое: вещество испаряют, полученный пар переносят в место осаждения а охлаждают. Химическое: на специальных поверхностях адсорбируются атомы и молекулы веществ, образующихся в результате химических реакций. Например, а) в реакции разложения метана и азида лития:

Для получения наночастиц оксидов в растворах часто прибегают к гидролизу при повышенной температуре. Так, нагреванием раствора хлорида железа (III) при 95°С получают нанопорошок оксида железа (III): Гидролиз в данном случае протекает необратимо, т. к. образующийся хлороводород плохо растворим в очень горячей воде и выделяется в виде газа.

б) в реакции горения кремния и алюминия:

В результате равновесие гидролиза смещается вправо. Образующийся первоначально при гидролизе гидроксид железа (III) разлагается с образованием оксида.

2. Образование наночастиц в коллоидном растворе. В этом случае используют коллоидные растворы, например, растворы солей золота или титана. Коллоидные частицы оксидов металлов обычно получают гидролизом солей. Например, наночастицы диоксида титана получаются при гидролизе тетрахлорида титана:

Часто при гидролизе отдельные наночастицы объединяются в белее крупные агрегаты или образуют коллоидный раствор — золь, далее переходящий в нерастворимый гель. Например, гидролиз сложных зфиров ортокремниевой кислоты (тетраалкоксисиланов) приводит к образованию геля кремниевой кислоты:

Развитие нанотехнологий в Казахстане.

Цифровые и нанотехнологии, робототехника, регенеративная медицина и многие другие достижения науки станут обыденной реальностью, трансформировав не только окружающую среду, но и самого человека. Казахстан должен быть активным участником этих процессов.

Рис. 96. Способы получения нанообъектов

Согласно государственным программам развития науки в Республике Казахстан нанотехнологии являются одним из приоритетных направлений.

В настоящее время Казахстан располагает достаточным научным и экономическим потенциалом для развития отечественной наноиндустрии. Проводятся исследования в области синтеза нанокластеров и наноструктур полупроводниковых и металлических систем. Имеются разработки в области наноразмерных катализаторов, сенсорных наноструктурных материалов и углеводородных наноструктур. Основной сферой применения нанотехнологий, предполагающей значительную отдачу в краткосрочной перспективе, является создание наноструктурированных катализаторов и фармацевтических препаратов, компонентов наноэлектроники и многофункциональных материалов. Фактически будет улучшаться качество производимой в настоящее время продукции, включая в нее нанокомпоненты. Б нашей стране этими направлениями занимаются многие ведущие вузы и лаборатории республики.

В структуре приоритетных направлений инвестиционной деятельности Фонда науки, определенных Высшей научно-технической комиссией при Правительстве Республики Казахстан, проекты распределены следующим образом:

— нанотехнологии и новые материалы;

— технологии для углеводородного и горно-металлургического секторов и связанных с ними сервисных отраслей;

— ядерные технологии и технологии возобновляемой энергетики;

— информационные и космические технологии (рис. 97)

Рис. 97. Распределение нанотехнологий в химии

В современном мире происходит стремительное развитие нанотехнологий.

Возможности их разностороннего применения в таких областях экономики, как производство полупроводников, медицина, сенсорная техника, экология, автомобилестроение, строительные материалы, биотехнологии, химия, авиация и космонавтика, машиностроение и текстильная промышленность, несут в себе огромный потенциал роста.

Заслуга нанотехнологий состоит и в том, что они способны придавать привычным на первый взгляд материалам дополнительные свойства.

Структура наноуглеродных частиц

Нанообъекты можно классифицировать по размерности: 1) объемные трехмерные структуры, их называют нанокластеры (3D); 2) плоские двухмерные объекты — нанопленки (2D); 3) линейные одномерные (1D) структуры — нанонити; 4) нульмерные (0D) объекты — на-нониточки или квантовые точки. К пористым структурам относят нанотрубки и нанопори-стые материалы, например, аморфные силикаты (табл. 34).

Внешние нанообъекты. Нанокластеры. Нанокластеры представляют собой объемные структуры с количеством атомов в кластерах от 1 до 10 6 атомов, с размером от 0,24 до 30 нм. При этом нанокластеры могут иметь от маленьких типов кластера до гигантских размеров, в том числе коллоидных частиц (рис. 98).

Рис. 98. Нанокластеры органических веществ (фото со сканирующего микроскопа)

Классификация нанообъектов

Методы «снизу вверх»	Методы «сверху вниз»

Наноразмерные объекты

Нанокластеры (3D)

Нанопленки (2D)

Нанонити (1D)

Наноточки (0D)

Нанотрубки

Нанопористые материалы

Коллоидные растворы могут иметь даже разную окраску, в зависимости от размера кластеров. Например, у гелей золота (рис. 99).

Рис. 99. Окраска коллоидных частиц золота

Интересно, но нанокластеры есть даже в обычной воде, причем в холодной воде их больше, и такую воду растения усваивают лучше.

Нанопленки, нанонити, наноточки. К нанопленкам (нанопокрытиям) относятся двумерные образцы наноматериалов, которые характеризуются наноразмерной толщиной.

В свою очередь, к нанопроволокам (наностержням, нановолокнам, нанонитям) относятся одномерные образцы наноматериалов, которые характеризуются наноразмерным диаметром. Нанопокрытия бывают твердыми, жидкими, иногда даже газообразными. Их состав может сильно отличаться от тех предметов, от которых они образовались. Тонкие пленки довольно часто применяются в нашей повседневной жизни. На современные инструменты наносят покрытия, которые обеспечивают износостойкость и некоторые другие свойства. Такие пленки часто применяются в оптике для создания антибликового, отражающего и просветляющего покрытия. Нанопленки применяются также для декора или для защиты тех или иных предметов и в такой отрасли промышленности, как микротехнология.

Внутренние нанообъекты.

Фуллерены и нанотрубки — это обширные классы интереснейших наноструктур. Например, среди фуллеренов известно множество частиц и изомеров от малых (С₂₀, С₂₈) до гигантских (С₂₄₀, С₁₈₄₀) с совершенно различными свойствами.

Рис. 100. Схематическое изображение однослойной углеродной нанотрубки и ее фото в АСМ

Многие перспективные направления в нанотехнологии связываются с углеродными нанотрубками. Это большие молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Главная их особенность: они выглядят как замкнутые, пустые внутри трубки (рис. 100).

Способностью собираться вместе и образовывать структуры наноразмеров обладают многие атомы. Такие наноструктуры назвали квантовыми точками (рис. 101).

Квантовые точки уже сейчас являются удобным инструментом для биологов, пытающихся разглядеть различные структуры внутри клеток. Их применяют для «маркировки» биологических объектов (рис. 102).

Болезнь человека, как правило, связана с заболеванием не всех, а часто небольшой части его клеток. Но кот да мы принимаем таблетки, то лекарство растворяется в крови, а потом с кровотоком действует на все клетки — больные и здоровые. При этом у здоровых клеток ненужные лекарства могут вызывать так называемые побочные эффекты. Нанокапсулы с лекарством, способные прилипать только к определенным клеткам, могут быть решением этой проблемы медицины (рис. 103).

Рис. 101. Квантовые точки

Рис. 102. Клетка с нанометкой

Рис. 103. Нанокапсулы

Графен. Скорее всего, вы уже слышали о новом материале — графене. Что же это за необыкновенный материал? Графен был синтезирован российскими учеными А. Геймом и К. Новоселовым. Нанотехнологии позволили ученым изготовить углеродную пластину более твердую, чем алмаз, толщина которой составляет всего один атом. Состоит она как раз таки из графена. Это самый тонкий и прочный материал во всей Вселенной, который пропускает электричество намного лучше кремния компьютерных чипов. Графен представляет собой двухмерный кристалл. Его структура является гексагональной решеткой, состоящей из атомов углерода (рис. 104). На сегодняшний день химики, физики, а также инженеры-электронщики уже заинтересовались уникальными возможностями графена.

К достоинствам графена можно отнести следующее:

Высокая электропроводность. Графен может проводить электричество как обычная медь. На его основе можно создавать различные электрические приборы.

Отличная оптическая чистота. Может поглощать только чуть более двух процентов видимого света вне зависимости от характеристик излучения. Вследствие этого данный материал практически бесцветен. Сторонний наблюдатель может назвать его невидимым.

Рис. 104. Структура графена

Высокая механическая прочность. По прочности превосходит алмаз.

Гибкость. Является более гибким, чем кремний. По данным параметрам он превосходит даже резину. Благодаря однослойной структуре можно изменять форму и растягивать графен по мере необходимости.

Рекордная теплопроводность. По данному показателю превосходит медь в десять раз.

Медицина. Оксид графена убивает стволовые клетки, которые запрограммированы на преобразование в раковую опухоль. Он уменьшает размер опухоли, предотвращая ее дальнейший рост.

К недостаткам графена можно отнести следующее:

• Удается получить лишь небольшие по размерам листы графена.

• Производство графена требует значительных затрат, что ограничивает его применение.

Наноматериалы бывают внешними и внутренними. Важными материалами являются фуллерены, нанотрубки, графен.

Способы получения наноматериалов

Наноматериалы синтезируют способами: химической конденсации, монохимической реакцией, термическим разложением и восстановлением.

1. Химическая конденсация

Химические методы получения наночастиц и ультрадисперсных систем известны достаточно давно. Коллоидный раствор золя золота (красного) с размером частиц 20 нм был получен в 1857 г. М. Фарадеем. Наиболее простым и часто используемым способом является синтез наночастиц в растворах при протекании различных реакций. Для получения металлических наночастиц применяют реакции восстановления, при которых в качестве восстановителя используют алюмо- и борогидриды, тетрабораты, гипофосфиты и многие другие неорганические и органические соединения.

Наноразмерные частицы солей и оксидов металлов получают чаще всего в реакциях обмена и гидролиза. Например, золь золота с размером частиц 7 нм может быть получен восстановлением хлорида золота боргидридом натрия с использованием в качестве стабилизатора тиолы.

В качестве стабилизаторов используют и другие органические соединения, способные образовывать поверхностные комплексы.

Реакцию гидролиза проводят в органических растворителях. Последующая полимеризация приводит к образованию геля:

Этот метод обладает чрезвычайно широкими возможностями и позволяет получать материалы, содержащие и биологически активные макромолекулы.

2. Получение наночастиц с помощью топохимических реакций

С помощью топохимических реакций (реакций в газовой среде) конденсации из паровой фазы можно получать наночастицы желаемых соединений. Газофазные химические реакции можно разделить на реакции разложения, протекающие с участием одного реагента по схеме:

и реакции между двумя и более реагентов по схеме:

Необходимым условием протекания первого типа химических реакций является существование реагента, содержащего все элементы конечного продукта, поэтому второй тип газофазных реакций находит более широкое распространение.

При проведении газофазных химических реакций исходные реагенты должны быть легколетучими. В качестве исходных реагентов широко используются галогениды (особенно хлориды металлов), оксихлориды металлов МеО_nСl_m, алкооксиды Me(OR)_n, алкильные соединения Me(R)_n, пары металлов и так далее. Этим методом можно получать наноматериалы бора, газовой сажи, металлов, сплавов, нитридов, карбидов, силицидов, сульфидов и других соединений.

3. Термическое разложение и восстановление

В процессах термического разложения обычно используют сложные металлорганические соединения, гидроксиды, карбонилы, формиаты, нитраты, оксалаты, амиды и амиды металлов, которые при определенной температуре распадаются с образованием синтезируемого вещества и выделением газовой фазы.

В общем виде основную реакцию, например, пиролиза формиатов можно представить в виде следующего результирующего уравнения:

По той же схеме происходит разложение формиатов Сu и Zn и других металлов.

Термическое разложение оксалатов многих металлов (Mn, Fe, Сu) протекает по уравнению

Пиролиз оксалатов, формиатов и других солей позволяет получать порошки с размером частиц около 100 нм.

Путем термической диссоциации карбонилов при температуре до 773 К по реакции возможно получение полиметаллических пленок с размерами кристаллитов порядка 20 нм.

Метод восстановления используют для получения наноматериалов (чаще всего металлов) из исходных кислородсодержащих соединений. При переработке оксидов металлов в качестве восстановителей используют газы — водород, монооксид углерода, конвертированный природный газ. Этим процессам соответствуют реакции, в результате которых получают нанопорошки металлов: Fe, W, Ni, Mo, Сu, Co.

Наноматериалы синтезируют химической конденсацией, с помощью топохимических реакций и термических разложений.

Разработка новых полимеров

Все современное развитие человечества неразрывно связано с развитием индустрии пластмасс — созданием новых и развитием существующих полимеров, способов их переработки, созданием изделий с новыми свойствами. Сегодняшний мир уже давно невозможно представить без пластмасс — начиная от предметов, окружающих нас в наших домах, и заканчивая деталями космических спутников и ракет. И эти пластмассовые предметы и детали поражают воображение и своими свойствами, и своими применениями, и размерами (от части корпуса трансатлантических авиалайнеров до наночастей медицинских устройств, вживляемых в организм человека). Ознакомимся с новыми видами полимеров, обладающими особыми свойствами.

Эпоксидные материалы. Одним из важных современных полимеров являются эпоксидные смолы. Это продукты сополимеризации оксида этилена и этиленгликоля (этандиола-1,2).

Этиленгликоль, реагируя с окисидом этилена превращается в диэтиленгликоль, триэтиленгликоль и т. д. до полимера (рис. 105).

Этиленгликоль является также важным полупродуктом в производстве синтетических смол, растворителей, взрывчатых веществ и пр.

Рис. 105. Шаростержневая модель оксида этилена и этиленгликоля

ПЭГ не токсичен он растворяется в воде. ПЭГ применяется в ряде отраслей, как фармацевтика, машиностроение, косметика. Его используют даже в качестве компонента твердого ракетного топлива (рис. 106).

Рис. 106. Полимер полиэтиленгликоль​​

Кевлар. Кевлар был изобретен в 1964 году американской ученой-химиком Стефани Луизой Кволек во время ее работы в компании «Дюпон». К 1971 году группе ученых компании удалось доработать материал, и началось его массовое производство.

Кевлар получается реакцией поликонденсации из терефталевой кислоты и па-рафенилендиамина.

Кевларовое волокно обладает рядом уникальных свойств:

• оно в несколько раз прочнее стали;

• сохраняет прочность при очень низких температурах, а при высоких (при том очень высоких: около 400°С) разлагается, не плавится, относительно легкий.

Рис. 107. Волокно кевлара

Рис. 108. Кевлар

Внешний вид кевларового волокна представляет собой нити характерного золотисто-желтого цвета. Диаметр элементарного волокна 10 мкм. (рис. 107)

Все перечисленные свойства позволяют использовать кевлар для производства непрокалываемых шин, бронежилетов, сверхпрочных тросов и прочих изделий, для которых такое качество, как прочность, является ключевым (рис. 108-110).

Что делает кевлар столь прочным? Рассмотрим строение полимерной цепи. Кевлар — кристаллический полимер. В кристаллических веществах есть порядок. Кристаллические полимеры, как и вообще все кристаллические вещества, отличаются от полимеров как раз прочностью и высокими температурами плавления. Более компактной упаковке нитей полимера способствует транс-строение арамида:

Рис. 109. Пуленепробиваемые жилеты используются не только для защиты непосредственно военнослужащих. Защитная одежда из кевларового волокна нередко защищает служебных собак

Рис. 110. Этот кевларовый чехол смартфона надолго обеспечит владельца телефона от проблем повреждения, появления царапин на корпусе устройства и других. Фактически — стальной чехол

При цис-строении радикалы расположены по одну сторону от связи (C-N) и между радикалами образуется угол. При транс-строении радикалы расположены по разным сторонам от связи (C-N). Радикалы параллельны друг другу, цепь не загибается, а лежит прямой линией, поэтому и упаковываются такие нити более компактно (рис. 111).

Рис. 111

Рис. 112. Структура кевлара. Прочность обеспечивается ковал ситными связями сплошные линии. Пунктиром указаны слабые водородные связи

Пунктиром обозначены слабые водородные связи между цепями полимера. Как мы видим, заместители у бензольного кольца находятся в пара-положении (что отражено в названии: пара-арамид).

Потому другие полиамиды и не отличаются прочностью: в цепях структурные звенья встречаются как цис-, так и транс-строения. Но вот с арамидами дела обстоят иначе: почти вся цепь имеет транс-строение.

Материал Кевлар — это пара-арамид. Компания DuPont также выпускает мета-арамид (рис. 112-114):

Рис. 113

Его торговое название Номекс. Он используется как огнеупорный компонент, тоже прочный. Из смеси номекса и кевлара изготавливают огнеупорную одежду.

Рис. 114. Шаростержневая модель кевлара

И ни в одном из перечисленных выше направлений развития человечества невозможно представить себе жизнь без пластмасс. Это и медицинские устройства, сохраняющие многие тысячи жизней, и упаковка, сберегающая миллионы тонн продуктов, и части устройств, помогающих получать энергию из альтернативных источников, и средства связи, и детали и части автомобилей, самолетов и космических ракет.

Биоразлагаемые полимеры

Суммарный объем производства полимерных материалов во всем мире достигает многих десятков миллионов тонн. Свойства полимеров весьма разнообразны и определяются их областью применения. На основе полипропилена и ароматических полиамидов, например, созданы ценные конструкционные материалы, устойчивые к различным воздействиям. Эти материалы с успехом применяют, в частности, в строительстве и машиностроении.

Однако не во всех областях требуются очень прочные и устойчивые к различным воздействиям полимеры. К таким областям относится, например, изготовление тары различного рода: мешки, пакеты, бутыли и т. д. Срок службы таких полимерных изделий невелик, вследствие чего многие миллионы тонн полиэтилена, полипропилена и других материалов ежегодно попадают на свалки. Эти материалы не гниют в почве и устойчивы к атмосферным воздействиям, так как в соответствующих организмах (грибы, бактерии) отсутствуют ферменты, способные разрушать синтетические полимерные материалы, поэтому проблема защиты окружающей среды от устойчивых полимеров превратилась в одну из актуальных глобальных задач. Создав исключительно прочные полимерные материалы, химики теперь озабочены прямо противоположной проблемой: как получить материалы, обладающие непродолжительным сроком эксплуатации и способные разлагаться в природных условиях.

Исследования развиваются в двух направлениях:

1. Применение биополимеров. Биополимеры производятся живыми организмами и способны разлагаться в природных условиях. Речь при этом идет прежде всего о полисахаридах <крахмал, целлюлоза).

2. Синтез аналогов биополимеров, способных к разрушению под действием света или бактерий, а также полимеров, растворимых в воде.

На пути создания синтетических биоразлагаемых полимеров достигнуты первые успехи.

Разработан процесс изготовления предметов тары из полиэтилена, в который внедрены частицы крахмала. Крахмал весьма неустойчив в природных условиях, вследствие чего все изделия из такого полимера разлагаются значительно быстрее, чем обычные полимеры.

Полезным полимером оказался поливинилацетат. При его гидролизе получают еще один биоразлагаемый материал — поливиниловый спирт.

Его ценным качеством является растворимость в воде. Тара, изготовленная из поливинилового спирта, оказывается очень проста в утилизации.

Специалисты в области «зеленой» химии, перед которой в странах Западной Европы и США поставлены задачи создания безотходных и безопасных для окружающей среды технологий, возлагают большие надежды на полимолочную кислоту (ПМК).

ПМК — алифатический полиэфир, который получают поликонденсацией молочной кислоты или полимеризацией циклического димерного лактида.

ПМК легко разлагается в природных условиях или гидролизуется до молочной кислоты, которая может быть вновь превращена в полимер. Пленки ПМК обладают эластичностью, пригодны для изготовления тары, в том числе дня пищевых продуктов, так как защищают упакованный товар от запахов и загрязнений. Такой полимер может саморазлагаться в природе за несколько дней (рис. 115).

Рис. 115. Разложение бутылки из ПМК

Полагают, что ПМК может оказаться особенно перспективной для изготовления синтетических ковров, поскольку пригодна для изготовления как лицевой стороны, так и основы ковра. Разработан новый метод производства полимолочной кислоты. По этому методу синтетический полимерный материал впервые производят из ежегодно возобновляемого растительного сырья — углеводов кукурузы. Процесс начинается с ферментативного расщепления декстрозы до молочной кислоты. Полученную кислоту очищают и конденсируют в непрерывном процессе до низкомолекулярного полимера (с молекулярной массой — 5000) (рис. 115).

Создание биоразлагаемых полимеров позволит решить экологическую проблему загрязнения окружающей среды (рис. 116).

Рис. 116. Горы пластика на побережье

Но, конечно же, надо обратить внимание на развитие самих полимеров, ведь для решения глобальных проблем будут требоваться новые подходы, новые изделия (или новые компоненты существующих) с новыми назначениями и свойствами.

Ученые из Технологического университета Делфта приступили к испытаниям уникального бетона, который самостоятельно восстанавливает трещины и повреждения с помощью бактерий. Голландские ученые решили проблему, создав «живой» бетон, трещины на котором затягиваются, как раны на человеческом теле. Для этого они добавили в состав гранулы, содержащие споры бактерий рода Bacillus и лактат кальция, который питает микроорганизмы. Споры могут в течение многих лет сохранять свои свойства. В случае появления трещины влага попадает внутрь гранул и бактерии переходят в активное состояние. При этом они потребляют питательное вещество и производят минерал кальцит, который заполняет образовавшиеся пустоты.

Практическое значение новых материалов

Наряду с давно известными используемыми материалами технический прогресс производства требует создания новых материалов, обладающих уникальными свойствами. Кроме того, в связи с истощением природных ресурсов возникает необходимость в замене старых, традиционных материалов новыми и более доступными. Современные технологии позволяют производить множество разнообразных высококачественных материалов, однако проблема создания новых материалов с лучшими свойствами остается актуальной и по сей день.

В последние десятилетия синтезированы материалы, обладающие удивительными свойствами, например, материалы тепловых экранов для космических аппаратов, высокотемпературные сверхпроводники и т. п. Вряд ли можно перечислить все виды современных материалов. С течением времени их число постоянно возрастает. Рассмотрим некоторые из них.

1. Полимерные материалы. Полимеры построены из макромолекул, состоящих из многочисленных малых основных молекул — мономеров. Изменяя структуру молекул и их разнообразные комбинации, можно синтезировать пластмассы с заданными свойствами. Примером может служить АБС-полимер. В его состав входят три основных мономера: акрилонитрат (А), бутадиен (Б) и стирол (С) (напишите формулы этих веществ). Первый из них обеспечивает химическую устойчивость, второй — сопротивление удару и третий — твердость и легкость термопластической обработки. Основное значение данных полимеров — замена металлов в различных конструкциях. Этот же материал, наряду с найлоном и другими полимерами, применяется в настоящее время в 3D-печати (рис. 116).

Рис. 117. Принтеры 3D-печати

Наиболее перспективными материалами с высокой термостойкостью оказались ароматические и гетероароматические структуры с прочным бензольным кольцом: полифениленсульфид, ароматические полиамиды, фтор полимеры (тефлон) и др. Данные материалы можно эксплуатировать при температуре 200 — 400 градусов. Главные потребители термостойких пластмасс — авиационная и ракетная техника.

2. Синтетические ткани. С начала XX в. химические технологии стали ориентироваться на создание новых волокнистых материалов. К настоящему времени многообразные искусственные волокна изготавливаются в основном из 4 видов химических материалов: целлюлозы (вискозы), полиамида, полиакрилонитрила и полиэфиров. Новшества сегодняшнего дня затронули геометрию волокон. Изготовители текстильного сырья стремятся сделать нити возможно тоньше. Появились и пустотелые волокна. Они лучше противостоят холоду. Существует ткань, в основе которой размещены мельчайшие стеклянные шарики, отражающие свет. Одежда из нее — хорошая защита для тех, кто ночью находится на улице (рис. 118).

Оригинальна технология изготовления ткани для одежды космонавта, которая способна уберечь его за пределами атмосферы от леденящего холода космоса и палящей жары Солнца. Секрет такой одежды в миллионах микроскопических капсул, встроенных в ткань.

Рис. 118. Одежда из светоотражающей ткани

3. Замена материалов. На смену старым материалам приходят новые. Это происходит светоотражающей ткани обычно в двух случаях: когда возникает дефицит старого материала и когда новый материал более эффективен. Материал-заместитель должен обладать лучшими свойствами. Пластмассы могут заменить металл, дерево, кожу и другие материалы. Не менее сложной является проблема замены цветных металлов. Во многих странах, в том числе в Казахстане, идут по пути экономного, рационального их потребления. Одна тонна пластмасс в машиностроении экономит 5 — 6 тонн металлов. При обработке металлов материал используется на 70%, а при изготовлении изделий из пластмасс — на 90 — 95%.

4. Сверхпрочные и термостойкие материалы. Ассортимент материалов различного назначения постоянно расширяется. Последнее десятилетие создана естественно-научная база для разработки принципиально новых материалов с заданными свойствами. Например, сталь, содержащая 18% никеля, 8% кобальта и 3 — 5% молибдена, отличается высокой прочностью. Преимущественная область ее применения — авиационная и ракетная техника. Продолжается поиск новых высокопрочных алюминиевых сплавов. Плотность их сравнительно невелика, и применяются они при относительно невысоких температурах, до 320 градусов. Для высокотемпературных условий подходят титановые сплавы, обладающие высокой коррозионной стойкостью. Идет дальнейшее развитие порошковой металлургии. При комбинировании поли- и монокристаллических нитей с полимерными компонентами (полиэфирами, фено.тшными и эпоксидными смолами) получаются материалы, которые по прочности не уступают стали, но легче ее в 4 — 5 раз.

Создание термостойких материалов — одна из важнейших задач развития современных химических технологий. С применением современных технологий получены, например, нитрид кремния и силицид вольфрама — термостойкие материалы для микроэлектроники. Данные материалы в виде тонкой пленки напыляются на элементы интегральных схем (рис. 119).

Рис. 119. Нитрид кремния

5. Материалы с необычными свойствами. Нитинол представляет собой никель — титановый сплав (например, Ti-Al-V), обладающий необычным свойством — сохранять первоначальную форму. Вследствие этого качества его иногда называют запоминающим металлом, или металлом, «обладающим памятью». Нитинол способен сохранять первоначальную форму даже после холодного формирования и термической обработки (опыт с нитиноловой скрепкой, рис. 120).

Рис. 120. Опыт с нитиноловой скрепкой

Для него характерны: термоупругость, высокая коррозионная стойкость. Нитиноловые фиксаторы, муфты, спирали находят применение в медицине. С помощью нитиноловых фиксаторов эффективнее соединяются сломанные части костей (рис. 121).

Рис. 120. Современные биоматериалы используют для изготовления искусственных суставов и многофункциональных протезов конечностей

6. Оптические материалы. На смену электрическому сигналу, посылаемому по медному проводу, постепенно приходит значительно более информативный световой сигнал, распространяющийся по свето-проводящим волокнам. Совершенствование технологий, изготовление кварцевых нитей позволило менее чем за десятилетний срок примерно в 100 раз сократить потери светового потока. Из новых оптических материалов, например, таких, как фторидные стекла, можно получить еще более прозрачные волокна. В отличие от обычных стекол, состоящих из смеси оксидов металлов, фторидные стекла — это смесь фторидов металлов (рис. 122).

Рис. 122. Фторидное стекло

7. Еще одна революционная новация в химии — производство элементоорганических соединений. Это соединения, в состав которых входят как органические элементы (углерод, водород, сера, азот, кислород), так и производные ряда других химических элементов (кремния, фтора, магния, кальция, цинка, натрия, лития и т. д.). Химия кремнийорганических материалов лежит в основе производства полимеров, обладающих ценными свойствами и незаменимых в авиации и энергетике. Фторорганические соединения исключительно устойчивы даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей и к тому же обладают особой поверхностной активностью, способностью поглощать кислород и перекиси, поэтому изделия из фторуглерода являются материалом для изготовления внутренних органов человека, а также используются в медицине для создания всевозможных покрытий.

Самое важное

Разработка новых веществ и материалов

Новые вещества и материалы: современные лекарства, полимеры, волокна, наноматериалы.

Создание лекарств является трудным процессом, сопровождающимся разработкой нового состава лекарств, с определенным составом, пространственным строением. Многие лекарства имеют хиральное и оптическое строение.

Важным волокном является кевлар. Строение и свойства этого полимера играет важную роль.

Графен является современным полимером, обладает прекрасными полимерными свойствами.

В настоящее время огромную роль играет нанотехнология. Химия активно участвует в разработке современных материалов, обладающих особыми свойствами. Существует классификация нанообъектов и способы их получения: «сверху-вниз» и «снизу-вверх».

Услуги по химии:

Лекции по химии:

Лекции по неорганической химии:

Лекции по органической химии:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Источник