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

Людині потрібні одяг, житло, громадські і промислові будови, знаряддя праці, машини, апарати, технічні та побутові прилади, устаткування для транспорту й зв’язку тощо. З якого матеріалу ви все це виготовлятимете? Це запитання складне і заслуговує на неабияку увагу.

Історики позначають епохи розвитку людства на Землі за їх головним матеріалом: вік кам’яний, вік бронзовий, вік залізний. Із цього погляду наш вік – вік синтетичних і хімічно перероблених матеріалів. Проте метал не зникне із нашого життя, але змінить свої властивості. Теоретично вже доведено, що сучасні металеві вироби могли б бути значно міцнішими. Зменшують їхню міцність над мікроскопічні неоднорідності – досить малі тріщинки, зсуви, неточності в структурі, пустоти, які не зайняті атомами тощо. У лабораторіях вдалося добути тонкі нитки («вуса») однорідного металу, які значно міцніші від сталі. Але від цих «вусів» до монолітних брусків і масового виробництва ще досить далекий шлях.

У кераміки і скла міцність ще менша від теоретичної, ніж у металу. Але нещодавно вдалося підвищити міцність скла в багато разів спеціальною хімічною обробкою його поверхні. Надаючи склу дрібнокристалічної, як у металів, будови, набагато підвищили і його жаростійкість. Винайдено нові вогнетривкі матеріали, дуже потрібні для високотемпературних печей, електротехніки: оксид магнію, оксид торію, нітрити, бориди, карбіди з температурою плавлення від 2500 до 3500 градусів за Цельсієм. Великого значення набувають напівпровідники, які здатні забезпечити безвідмовну роботу машин і в космосі, і в глибинах Землі, і у вогняних печерах, і при абсолютному нулі.

Нові матеріали потрібні для квантових генераторів, лазерів, які породжують могутні промені, здатні різати, плавити, випаровувати, свердлити і посилати сигнали далеко за межі нашої планети. У нинішніх лазерах промінь генерується в кристалі штучного рубіну. Уже знайдено немало й інших речовин для генераторів.

Отже, розвиток техніки неможливий без винайдення нових матеріалів, що мають комплекс спеціальних властивостей, особливо високу механічну міцність і значну стійкість до високих температур при можливо невеликій густині. Потреба в таких матеріалах не обмежується авіа- і ракетобудуванням; усе ширше їх застосовують у найрізноманітніших галузях народного господарства.

Як же людина зуміла проникнути в секрети складу й будови найрізноманітніших матеріалів, створити штучні матеріали? Розглянемо це на прикладі алмазу. Першою людиною, яка дала правильне (хоча не повне) тлумачення про хімічний склад алмазу, був Ісаак Ньютон. Як би ми зараз не оцінювали передбачення Ньютона і чим би ми його не вважали – обґрунтованим твердженням або необґрунтованою здогадкою, факт залишається фактом: Ньютон вважав алмаз горючою речовиною.

У 1772 р. А. Лавуазьє довів, що алмаз горить так само, як сірка, фосфор, вугілля.

У 1797 р. було проведено такий дослід. Спалили однакові за масою кількості вугілля, графіту та алмазу. В усіх трьох випадках утворилися однакові кількості однієї і тієї самої сполуки – вуглекислого газу. Це дало змогу твердити, що алмаз складається з вуглецю.

У 1860 р. німецький учений Г. Розе дослідив явище обвуглювання алмазу та його перетворення в графіт.

Ще на початку 90-х років ХІХ століття було відомо, що алмаз, вугілля, графіт – це одна і та сама речовина – вуглець. Алмаз не піддається ніяким змінам при відносно малих температурах, а під час сильного нагрівання перетворюється в графіт. Густина алмазу – 3,5; графіту – 2,2; вугілля в середньому 1,3 г/куб. см, тобто, коли добувають алмаз, графіт необхідно піддавати високому тиску; в природі алмаз народжується в глибинах Землі, де дуже високі температури і тиски.

Те, що алмаз можна знайти також у залізних метеоритах, привело російського вченого К Д. Хрущова до висновку, що залізо було сприятливою речовиною для утворення алмазу. З практики відомо, що при охолодженні розплавленого заліза, пересиченого в печі вуглецем, виділяється графіт. На відміну від інших металів залізо при остиганні не зменшується в об’ємі, а збільшується. Тому, якщо його швидко охолоджувати, то тверда оболонка, що утворюється (кірка), стискуватиме внутрішню масу, яка намагається розширитися. Отже, в середині неї тиск різко зростає.

Таким чином, природа не тільки підтвердила необхідність високого тиску при добуванні штучного алмазу, а й підказала принциповий проект алмазообробної установки.