Учебное пособие: Концепции современного естествознания (химическая составляющая)

2. Чем обусловлена последовательность появления разных способов решения основной проблемы химии?

3. Что означает «Система химии, логика ее развития и построения»?

4. Дайте толкование понятий «уровень химических знаний», «концептуальная система химии».

5. Каковы практическое и теоретическое значения представлений о концептуальных системах химии?

1.4 Выводы

1. Главная задача химии - задача получения веществ с необходимыми свойствами.

2. Системообразующим началом химии выступает двуединая проблема: получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами веществ.

3. Свойства веществ зависят от четырех факторов: от элементного и молекулярного состава; от структуры его молекул; от термодинамических и кинетических условий, в которых вещества находятся в процессе химических реакций; от высоты химической организации вещества.

4. Представления о концептуальных системах химии позволяют оценить, какими возможностями располагает эта наука в смысле производства новых материалов, на какие теории и методы можно рассчитывать при решении задач синтеза новых веществ.

5. Система современной химии с ее четырьмя концептуальными системами служит главной опорой для определения ближайших перспектив развития химического производства.

2. Проблемы и решения на уровне учения о составе

Способ решения основной проблемы химии - проблемы происхождения свойств веществ - стал выражаться посредством схемы: СОСТАВ → СВОЙСТВА

Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось первым уровнем научных химических знаний.

Три главные проблемы решались на уровне учения о составе: проблема химического элемента; проблема химического соединения; проблема вовлечения все большего числа химических элементов в производство новых материалов.

Особое внимание будет обращено на решение третьей проблемы, т.к. ее исследование открывает новый мир - вторую природу, нам не ведомую.

2.1 Проблема вовлечения новых химических элементов в производство материалов

Рассмотрим возможности, которые предлагаются самой природой, ее материальными ресурсами.

Первая из них – приведение в соответствие практики использования химических элементов в производстве с их ресурсами в природе.

Если сравнить распространенность элементов в природе с наиболее часто применяемыми человеком материалами, нетрудно заметить между ними обратно пропорциональную зависимость: человек часто использует те элементы, запасы сырья которых ограничены, и меньше использует те элементы и их соединения, сырьевые ресурсы которых почти безграничны.

Восемь химических элементов составляют 98,6% массы физически доступного слоя Земли. Картина их распределения следующая: О – 47%; Si – 27,5%; Al – 8,8%; Fe – 4,6%; Ca – 3,6%; Na – 2,6%; K – 2,5%; Mg – 2,1%.

Заметим, что железа почти в два раза меньше, чем алюминия. Однако 95% всех металлических изделий производится из железосодержащего сырья. На основании данных о распространенности восьми названных элементов, можно подумать о перспективах увеличения использования алюминия и магния в создании металлических материалов ближайшего будущего.

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).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9