Сторінка
2

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

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, радіо- і 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 термо- і 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.