Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

Тема 5. Хімія і прогрес людства

Усі ми пов’язуємо з хімічною наукою прогрес у пізнанні навколишнього світу, нові методи його перебудови та вдосконалення.

М. М. Семенов

§ 36. Роль хімії у створенні нових матеріалів, розвитку нових напрямів технологій

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • наводити приклади застосування хімічних сполук у різних галузях та в повсякденному житті;
  • оцінювати значення хімії у створенні нових матеріалів, розвитку нових напрямів технологій.

Роль хімії у створенні нових матеріалів, розвитку нових напрямів технологій складно переоцінити. Без її розвитку неможливий прогрес фармацевтики, сільського господарства, енергетики - багатьох сфер, від яких безпосередньо залежать здоров’я та благополуччя людини.

Нові матеріали - це один з найважливіших напрямів, що визначають розвиток усіх галузей промисловості, будівництва, медицини і сфери послуг. Ідеться, передусім, про матеріали на основі кераміки, композиційні матеріали з полімерною та металевою матрицями, інтерметаліди, жароміцні сплави з монокристалічною структурою тощо.

Цікаво і пізнавально

Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України - провідний центр науково-технічних розробок у галузі теоретичних основ створення нових матеріалів, технології одержання їх та виготовлення виробів з них зі спеціальними властивостями для задоволення потреб ядерної енергетики, електроніки, авіабудування, загального хімічного, транспортного і сільськогосподарського машинобудування, прямого перетворення енергії в електричну, квантової електроніки, приладобудування, автоматики та інших галузей техніки.

Одним з напрямів, яким у всіх промислово розвинених країнах приділяють особливу увагу, є «розумні» матеріали, з яких виготовляють конструкції з адаптивно змінюваними властивостями. Розроблено «розумні» обшивки корпусів морських суден, літаків, самозміцнювальні лопаті гвинтокрилів, звукопоглинальні промислові конструкції.

Цікаво і пізнавально

Спільний проект компанії «Прогрес», Київського національного університету імені Тараса Шевченка та Навчально-наукового центру «Фізико-хімічне матеріалознавство» НАН України передбачає розробку навісної керамополімерної панцерної панелі для додаткового захисту бойових броньованих машин від ураження великокаліберними бронебійними патронами калібру 12,7 мм і 14,5 мм.

Створення теоретичних основ процесу каталізованої спрямованої кристалізації дало змогу синтезувати багато нових будівельних склокристалічних матеріалів. Висока хімічна стійкість, високий опір дії тертя, декоративні, оптичні та низка інших фізико-хімічних властивостей роблять ці матеріали досить перспективними в будівельній, гірничодобувній, коксохімічній, хімічній та оптоелектронній промисловості, у побуті тощо (рис. 36.1).

Рис. 36.1. Ситали (склокераміка) - це склокристалічні матеріали, які складаються з однієї або декількох кристалічних фаз, рівномірно розподілених у скловидній фазі. Вони займають проміжне положення між звичайним склом і керамікою

Новим напрямом є розроблення біологічно активних матеріалів, які здатні зрощуватися з живою кістковою тканиною, - біоситалів. Найважливішою соціально значущою галуззю застосування нових матеріалів є медицина, яка потребує нових матеріалів для медичних інструментів, обладнання та протезування. Матеріали для ендопротезування мають бути біосумісними (біоінертними, біоактивними) з відмінними фізико-механічними характеристиками, стабільними властивостями, довговічними. Застосування імплантатів з біоінертних вуглецевих матеріалів скорочує терміни післяопераційної реабілітації та виключає повторні операції.

Розвиток робіт у галузі синтезу й вивчення будови біокерамічних матеріалів на основі гідроксилапатиту зумовив створення нових біологічно активних матеріалів. Вони абсолютно сумісні з тканинами організму людини, стимулюють ріст кісткової тканини. Застосування біокераміки веде до принципових змін у реконструктивно-відновлювальній хірургії, стоматології та травматології. У всьому світі ведуться роботи з використання капсул з гідроксилапатиту для цільового доправляння лікарських засобів у потрібний орган.

Цікаво і пізнавально

Американка Енджел Джіуффріа (Angel Giuffria) називає себе єдиною в світі актрисою з біонічних протезом. Дівчина народилася з патологією лівої руки, у неї не було кисті й більшої частини передпліччя, а перший протез їй зробили вже в 4 місяці. Завдяки досягненням хімії в створенні новітніх матеріалів Енджел веде активне життя.

Хімічні технології відіграють провідну роль в освоєнні надпровідності. Надпровідники використовують у медичних томографах, сепараторах для тонкого очищення речовин, накопичувачах енергії, приладах та установках індустріальної фізики.

Мембрани та мембранні технології широко застосовують у різних сферах діяльності, передусім для ефективного розділення рідких і газуватих середовищ, вилучення цінних продуктів зі стічних вод і газових викидів, для сепарації йонів у батареях, паливних елементах, в електрохімічних процесах. Їх використовують в апаратах «штучна нирка» та «штучна легеня», для добування надчистих речовин і зон у мікроелектроніці, виділення термолабільних біологічно активних речовин тощо. Біокаталітичні, енерго- та інформаційно-перетворювальні мембрани використовують як біосенсори у пристроях для моніторингу.

Стрімко розвивається новий напрям - комп’ютерний дизайн нових продуктів і технологій їхнього виготовлення. Широкі можливості методу дають змогу здійснювати комп’ютерне конструювання матеріалу із заданими механічними властивостями. На основі цього методу розроблено: градієнтні композиційні матеріали, високоміцну конструкційну кераміку з нанокристалічною структурою, технології нанесення зміцнювальних і захисних покриттів на деталі відповідального призначення тощо.

Однією з ефективних новітніх технологій є самопоширювальний високотемпературний синтез. Для нього характерні висока продуктивність, використання замість електричної хімічної енергії реагентів, значне спрощення високотемпературного обладнання та можливість розв’язування різноманітних технологічних завдань. Часто використання самопоширювального високотемпературного синтезу дає змогу в одну стадію одержати як сам матеріал, так і виріб з нього. Це зумовлює значне зниження витрат на виробництво продукції та зменшення її собівартості. Добуті в цей спосіб композитні порошки титан-хромового карбіду з нікелем використовують в авіаційній промисловості для захисту вентиляційних лопаток турбін від високотемпературної корозії та зношування. Перспективним є використання в медицині імплантатів з титан нікеліду, що «запам’ятовує» форму.

Хімічні технології забезпечують людство новими матеріалами з особливими властивостями, які мають працювати в екстремальних і особливо екстремальних умовах. Створення морських бурових платформ потребує застосування нових високоякісних сталей, покриттів, технологій зварювання та зварювальних матеріалів. Атомна енергетика також використовує матеріали з особливими властивостями, зокрема спеціальних сплавів на основі цирконію, ніобію, ербію. Потребу в принципово нових матеріалах зумовлено й бурхливим розвитком оптоволоконної техніки, нанотехнологій і мікромашин.

Пейнт-технології - узагальнена назва наукомістких технологій у виробництві та застосуванні лакофарбових матеріалів. Ідеться про науково-технічний прогрес у галузі оброблення поверхонь і створення на них захисних покриттів (рис. 36.3). Пейнт-технології використовують у машинобудуванні, легкій промисловості, будівництві, транспорті тощо.

Рис. 36.3. Лакофарбові матеріали

Науково-технічний рівень промислових технологій, які ґрунтуються на каталітичних процесах, є визначальним у нафтопереробній, хімічній, нафтохімічній та інших галузях промисловості. Використання каталізаторів забезпечує маловідходність, низьку енергомісткість технологій добування конкретних хімічних речовин і композицій цільового призначення.

Цікаво і пізнавально

Стійкі до антибіотиків бактерії щорічно вражають понад 2 млн осіб у всьому світі. В Університеті Колорадо, що в Боулдері (США), розроблено новий метод синтезу антибіотиків. Використання спеціального каталізатора дає змогу почати виробництво тіопептидів-антибіотиків. Важливою особливістю технології є відсутність токсичних відходів виробництва, єдиним побічним продуктом синтезу з використанням нового каталізатора є вода1.

1 https://www.sciencedaily.com/releases/2018/12/181220080006.htm

Використання надвисоких тиску та температури, сильних електричних або магнітних полів відкриває шляхи до синтезу нових матеріалів, які можуть бути технологічно важливими.

Органічна електроніка базується на органічних напівпровідникових матеріалах. Її можна просто роздруковувати з розчину, тоді як виробництво електроніки на основі неорганічних матеріалів здійснюють за високих температур у вакуумі. Така електроніка може бути дуже дешевою, а тому й одноразовою. Її можна використовувати для створення інтелектуальної упаковки. Одяг теж може містити інтегровані елементи органічної електроніки, оскільки її покриття здатні набувати будь-якої форми.

Цікаво і пізнавально

Дослідницька група з Тель-Авівського університету розробила технологію виготовлення органічної електроніки на основі білків, що входять до складу крові, молока та слизових тканин, які виробляє організм людини. Виготовлені в такий спосіб органічні діоди, транзистори та аналоги інших силіцієвих напівпровідникових елементів можуть стати основою для створення абсолютно нового типу електронних пристроїв, гнучких, безпечних для довкілля та біодеградабельних.

http://www.materials.kiev.ua/science/wares.jsp

https://www.leu.com.ua/v-stenfordi-stvoryly-shtuchni-legeni-yaki-peretvoryuyut-vodu-v-palyvo/

https://www.leu.com.ua/znajjdenyjj-novyjj-metalevyjj-katalizator-zdatnyjj-peretvoryuvaty-energiyu-sonyachnogo-svitla-v-ridke-palyvo-i-elektryku/

http://iepor.org.ua/press-and-tv/events-2014-12-17-nano.html

ПРО ГОЛОВНЕ

• Без розвитку хімії неможливий прогрес багатьох сфер, від яких безпосередньо залежать здоров’я та благополуччя людини.

Перевірте себе

  • 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

  • 2. Проаналізуйте назви розробок у галузі нанохімії науковців України: «Сполука-лідер для створення нейропротекторного антиішемічного препарату», «Гібридні композитні наноматеріали органічної електроніки», «Гібридні органічно-неорганічні композитні наноматеріали: плівки, компаунди, герметики, клеї, покриття, конструкційні пластики», «Технології для виробництва високопродуктивних нанофазних каталізаторів захисту довкілля та водневої енергетики», «Біосумісні полімерні матеріали та нанокомпозити для застосування в реконструктивній медицині», «Непористий 3D-силіцій для анодів літій-іонних акумуляторів», «Наноструктуровані фотополімеризаційноздатні композиції для технології запису інформації, оздоблення друкованої та пакувальної продукції», «Функціоналізовані магніточутливі матеріали для сорбції білків і ферментів». Про що вони свідчать?
  • 3. Учнівство 11 класу посперечалося: одні стверджували, що композиційні та наноматеріали - новітні витвори людини. Інші заперечували - ці матеріали людство використовувало з давніх-давен. А як уважаєте ви? Аргументуйте свою думку.

Творча майстерня

  • 4. Підготуйте повідомлення про: а) нові матеріали та хімічні технології, розроблені вітчизняними науковцями; б) нові матеріали та хімічні технології, розробників і розробниць яких удостоєно Нобелівської премії.