Значення хімії у створенні нових матеріалів, розв’язанні сировинної та енергетичної проблем
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.
Є, виявляється, й інші, не менш дивовижні, ніж каталізатори, речовини. Взяті самі по собі, вони «байдуже» ставляться до реакції, а взяті як домішка до каталізатора, вони прискорюють реакцію у більше разів, ніж це зробив би «одинокий» каталізатор. Це так звані промотори. Наприклад, платиновий дротик, «забруднений» залізом, аміаком або оксидом кремнію, значно ефективніше впливає на реакцію водню і кисню.
Отже, як бачимо, каталізатори і промотори відіграють неабияку роль у синтезі як неорганічних так і органічних речовин і високомолекулярних сполук.
Тому зараз у багатьох лабораторіях світу інтенсивно шукають нові ефективні каталізатори. Так, наприклад, широко застосовуються каталізатори на основі шаруватих силікатів. Вони багатофункціональні і проявляють свою активність у різних за характером хімічних реакціях. Каталізатори ж, добуті на основі особливого типу глинистих мінералів, забезпечують високий вихід продукту відносно вихідної сировини (24-25%).
На основі бетонів, скла, пластиків і гуми розвинуто технологію добування легких високо пористих металів з різною поруватістю, різними розмірами і характером пор, але разом з тим з більш високою міцністю. Такі матеріали із замкнутими порами мають чудові теплоізоляційні та звукоізоляційні властивості.
Пористими твердими тілами з дуже розвинутою поверхнею є адсорбенти і каталізатори, а також пористі плівки, що «дихають» - пропускають гази, але не пропускають води і є замінниками шкіри для взуття й одягу.
Незвичайні поруваті матеріали створили київські вчені. Ці матеріали використовують як молекулярні сита. Таке чудо-сито призначене для «просівання» молекул. Наскільки малі отвори повинно мати сито, щоб крізь нього вільно проходили молекули однієї речовини, і затримувалися іншої! Який же матеріал здатний «просіювати» молекули?
Деревне вугілля добре вбирає різні речовини завдяки своїй пористій структурі; воно пронизане величезною кількістю найтонших пор і каналів, стінки яких утворюють величезну вбирну поверхню (сотні квадратних метрів на один грам). Нині відомо багато таких речовин – адсорбентів. Їх широко застосовують у промисловості для очищення речовин від домішок, уловлювання пари бензину під час виготовлення гумових виробів тощо.Київські вчені вирішили створити штучні сорбенти – молекулярні сита з заданою поруватістю та іншими цінними властивостями. Вони синтезували, такі сорбенти, в яких кількість, структура і розмір пор точно регламентовані. Отже, штучні сорбенти здатні пропускати чи затримувати молекули найрізноманітніших речовин у дуже широкому діапазоні, залежно від їх розмірів. Сита з найменшими порами пропускають молекули найрізноманітніших речовин у дуже широкому діапазоні, залежно від їх розмірів. Сита з найменшими порами пропускають молекули діаметром до чотирьох стомільйонних сантиметра, а з більшими – до тридцяти мільйонних сантиметра. Таким чином, молекулярні сита придатні для просівання і малих і великих молекул.