3. Химические процессы и материалы (традиционные материалы - дерево, стекло, керамика; применение металлов и сплавов, силикатных материалов, полимеров, биологически активных веществ)

Технология вообще представляет прикладную науку, изучающую способы переработки произведений природы и различных других материалов в предметы, необходимые для удовлетворения разнообразных потребностей человека. Она делится на две части: механическую и химическую технологию. В то время как механическая технология рассматривает те роды обработки или те производства, которые занимаются изменением, с помощью физических или механических приемов, главным образом, только формы или внешнего вида обрабатываемых материалов (напр., отливка металлов или обработка их строганием, сверлением, обточкой и пр.), в производствах, подлежащих изучению химической технологии, наиболее существенным является изменение материалов при помощи химических процессов, причем материалы эти преобразуются в своем химическом составе (напр., выплавка металлов из руд или переработка жира на мыло, глицерин и стеарин). Конечно, нельзя строго разграничить все технические производства на основании указанных признаков. С одной стороны, в некоторых производствах, относимых к области механической технологии, обработка материала не ограничивается только его формоизменением, но захватывает, до известной степени, и его свойства (напр., при проковке литого металла), в иных же случаях не обходится и без участия X. процессов (напр., при закалке и отпуске металлов или в литейном деле), а с другой – в числе X. производств, во-первых, существуют такие, в которых величина изменения X. состава обрабатываемого материала часто бывает едва уловима (как, напр., при белении и крашении тканей или при дублении кож), а во-вторых, в большей части X. производств X. процессы неразрывно связаны с механическими, а в некоторых из них, как, напр., в гончарном или стеклянном, вся, в сущности, выработка окончательных продуктов производства или изделий совершается механическим путем.

Классификация производств, составляющих объект изучения X. технологии, вообще вполне искусственная. При этом расположение их в известной системе, на основании какого-либо одного принципа, напр., по происхождению и природе материалов обработки, по сходству процессов производства, по назначению готовых продуктов, к чему делались попытки различными авторами, едва ли может быть последовательно проведено до конца без тех или других существенных неудобств для хода изложения предмета. При искусственности самой системы, в этом, впрочем, едва ли и настоит особая надобность.

В общем, вся химическая технология может быть разделена по природе обрабатываемых материалов на два главных отдела: 1) химическую технологию минеральных веществ и 2) химическую технологию органических веществ.

В первой, частью по роду и происхождению материалов, частью по сходству процессов и получаемых продуктов, выделяются в особые группы: а) получение металлов из руд (металлургия); b) группа, собственно, так назыв. химических производств, обнимающая производство металлоидов, кислот, щелочей и солей с содовым производством и его разветвлениями во главе, а также технологию воды и искусственное получение льда; здесь же обыкновенно рассматриваются, выделяясь в особые подгруппы по сходству назначения изделий, минеральные красящие вещества, искусственные удобрения (также и органические), порох и др. взрывчатые вещества (ныне, впрочем, это большей частью вещества органические); с) обработка землистых веществ, куда входят: производство извести, цементов и искусственных строительных камней, производство изделий из глины и стеклянное производство.

В отделе химические технологии органических веществ можно различить след. главнейшие группы производств: а) горючие вещества (дерево и древесный уголь, торф, каменный уголь и кокс, нефть и пр.); эксплуатация и переработка их для целей отопления и освещения и утилизация получаемых при этом побочных продуктов; b) производство органических красящих веществ: α) естественных и β) искусственных; с) волокнистые вещества: α) беление, крашение и печатание волокон, пряжи и тканей и β) производство бумаги; d) углеводы: мука и хлеб, крахмал, сахар и производства, основанные на брожении: винокурение, пивоварение и виноделие; е) жиры и масла: получение их и переработка на мыло, стеарин и глицерин; f) обработка кожи, костей и др. животных продуктов; i) молочные продукты, мясные и др. консервы; k) эфирные масла и смолы.

Остановимся на отдельных химических производствах таких как: производство стекла, производство мыла, производстве портландцемента. Стекло, твердый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава. Для стекла характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное, неустойчивое стеклообразное состояние. При определенных температурных условиях стекло кристаллизуется. Стекло не плавится при нагревании подобно кристаллическим телам, а размягчается, последовательно переходя из твердого состояния в пластическое, а затем в жидкое. По агрегатному состоянию стекло занимает промежуточное положение между жидким и кристаллическим веществами. Упругие свойства делают его сходным с твердыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким. Склонность к образованию стекла характерна для многих веществ (селен, сера, силикаты, бораты и др.).

Состав некоторых промышленных стекол

Стеклом называют также отдельные группы изделий из стекла, например, строительное стекло, тарное стекло, химико-лабораторное стекло и др. Изделия из стекла могут быть прозрачными или непрозрачными, бесцветными или окрашенными, люминесцировать под воздействием, например, ультрафиолетового и g-излучения, пропускать или поглощать ультрафиолетовые лучи и т.д. Наибольшее распространение получило неорганическое стекло, характеризующееся высокими механическими тепловыми, химическими и др. свойствами. Основная масса неорганического стекла выпускается для строительства (главным образом листовое) и для изготовления тары. Эти виды продукции получают преимущественно из стекла на основе двуокиси кремния (силикатное стекло); применение находят также и др. кислородные (оксидные) стекла), в состав которых входят окислы фосфора, алюминия, бора и т.д. К безкислородным неорганическим стеклам относятся стекла на основе халькогенидов мышьяка (As₂S₃), сурьмы (Sb₂Se₃) и т.д., галогенидов бериллия (BeFz) и т.д.

Химический состав некоторых видов стекла приведен в таблице.

Технология производства стекла состоит из следующих процессов: подготовки сырьевых компонентов, получения шихты, варки стекла, охлаждения стекломассы, формования изделий, их отжига и обработки (термической, химической, механической). К главным компонентам относят стеклообразующие вещества (природные, например SiO₂(кремния двуокись), и искусственные, например Na₂CO₃), содержащие основные (щелочные и щелочноземельные) и кислотные окислы.

Производство моющих средств в современной экономике занимает одно из ведущих мест. Мыло – жидкий или твердый продукт, содержащий поверхностно-активные вещества, в соединении с водой используемое либо как косметическое средство – для очищения и ухода за кожей (туалетное мыло); либо как средство бытовой химии – моющего средства (мыло хозяйственное).

В последние годы мыло как косметический продукт массового использования все больше и больше используется в жидком виде. Твердое мыло часто используется в виде авторских изделий. В качестве бытовой химии использование мыла с каждым годом сокращается во всем мире: потребители выбирают стиральные порошки, средства для мытья посуды и пр.

В химическом отношении основным компонентом твердого мыла являются смесь растворимых солей высших жирных кислот. Обычно это натриевые, реже – калиевые и аммониевые соли таких кислот, как стеариновая, пальмитиновая, миристиновая, лауриновая и олеиновая.

Один из вариантов химического состава твердого мыла – C₁₇H₃₅COONa (жидкого – C₁₇H₃₅COOK).

Дополнительно в составе мыла могут быть и другие вещества, обладающие моющим действием, а также ароматизаторы и красители.

Принцип действия мыла состоит в том, что частицы мыла обладают обволакивающими свойствами, которые приводят к образованию эмульсий различных загрязняющих веществ и препятствуют их повторному осаждению на поверхности. Они удерживают нерастворимые частицы в состоянии суспензии, благодаря чему те могут быть легко удалены водой.

По имеющимся данным, мыло изготовлялось еще в древнем Шумере и Вавилоне (около 2800 г. до н. э.). Описания технологий изготовления мыла найдены в Месопотамии на глиняных табличках, относящихся примерно к 2200 г. до н. э. Египетский папирус середины второго тысячелетия до нашей эры свидетельствует, что египтяне регулярно мылись с помощью мыла. Широко применялись подобные моющие средства и в Древнем Риме.

В 1808 году французский химик Мишель Эжен Шеврель (1786-1889) по просьбе владельцев текстильной фабрики установил состав мыла. В результате анализа оказалось, что мыло – это натриевая соль высшей жирной (карбоновой) кислоты.

В Европе и США непрерывный процесс мыловарения появился в конце 1930-х годов вместе с непрерывным процессом гидролиза (расщепления) жиров водой и паром высокого давления в мыловаренных башнях.

Технология изготовления мыла имеет химическую природу. В качестве сырья для получения основного компонента мыла могут использоваться животные и растительные жиры, жирозаменители (синтетические жирные кислоты, канифоль, нафтеновые кислоты, талловое масло).

Получение мыла основано на реакции омыления – гидролиза сложных эфиров жирных кислот (то есть жиров) с щелочами, в результате которого образуются соли щелочных металлов и спирты.

В специальных емкостях (варочных котлах) нагретые жиры омыляют едкой щелочью (обычно каустической содой). В результате реакции в варочных котлах образуется однородная вязкая жидкость, густеющая при охлаждении – мыльный клей, состоящий из мыла и глицерина. Содержание жирных кислот в мыле, полученном непосредственно из мыльного клея обычно 40-60 %. Такой продукт имеет название «клеевого мыла». Способ получения клеевого мыла принято называть «прямым методом».

«Косвенный метод» получения мыла заключается в дальнейшей обработке мыльного клея, который подвергают отсолке – обработке электролитами (растворами едкой щелочи или хлористого натрия), в результате происходит расслоение жидкости: верхний слой, или мыльное ядро, содержит не менее 60 % жирных кислот; нижний слой – подмыльный щелок, раствор электролита с большим содержанием глицерина (также содержит загрязняющие компоненты, содержавшиеся в исходном сырье). Полученное в результате косвенного метода мыло носит название «ядрового».

Высший сорт мыла – пилированное, получают при перетирании высушенного ядрового мыла на валиках пилирной машины. При этом в конечном продукте содержание жирных кислот повышается до 72-74 %, улучшается структура мыла, его устойчивость к усыханию, прогорканию и действию высоких температур при хранении^[2].

Производство портландцемента представляет собой гидравлический вяжущий продукт тонкого помола цементного клинкера (спекшаяся сырьевая смесь в виде зерен 40-50 мм называется клинкером), который получается путем обжига до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси определенного состава. Сырье, пригодное для получения портландцемента должно иметь 75-78% карбоната кальция и 22-25% глины. Такое природное сырье встречается крайне редко, поэтому заводы производящие цемент отлично работают на искусственных смесях из карбонатных пород и глины.

Получение портландцемента хорошего качества зависит от содержания главнейших оксидов в клинкере, процент которых должен быть в пределах: CaO – 60-68%. SiO₂ – 19-25%, оксида алюминия 4-8%, оксида железа 2-6%.

Основные технологические операции выполняющиеся для получения цемента:

1. Добыча сырья и приготовление сырьевой смеси.

2. Обжиг сырьевой смеси и получение цементного клинкера.

3. Помол цементного клинкера с добавкой.

4. Добыча сырья.

Добыча сырья является основной в ступени производства цемента. Сырьем для цемента служит слой известняка зеленовато – желтого цвета. Добыча ведется открытым способом. Залегания цементного известняка располагается на глубину до 10 м. неравномерными слоями до 0,7 м. Из опыта геологоразведочных работ таких слоев, как правило, четыре.

Первичная обработка.

После добычи известняк транспортируют и производят специальную сушку и первичный помол с добавлением специальных добавок. В маркировке такого цемента добавляется обозначение Д20, например ПЦ500 Д0 обозначает 0% добавок, а ПЦ 400Д20 – 20% добавок. В конце прохождения этой стадии смеси подвергают обжигу – таким образом получается клинкер.

Конечная обработка.

Далее полученный клинкер еще раз размалывают и сушат с добавлением известкового камня и активными минеральными добавками. Полученный материал является готовым цементом с заданными свойствами.

Поскольку у каждого вида исходного сырья есть свои особенности: минеральный состав, влажность, прочность каждое производство имеет свою уникальную технологию, позволяющую добиться необходимых свойств цемента.

Полимер – высокомолекулярное соединение, вещество с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов.), состоит из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок – составных звеньев, соединенных между собой химическими или координационными связями в длинные линейные (например целлюлоза) или разветвленные (например амилопектин) цепи, а также пространственные трехмерные структуры.

Часто в его строении можно выделить мономер – повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путем на основе простейших соединений элементов природного происхождения путем реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат.

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х гг. XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов. Она тесно связана с физикой, физической, коллоидной и органической химией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии, объектами изучения которой являются биополимеры.

Важную роль в настоящее время имеют синтетические полимеры и искусственные полимерные материалы. Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа, меха, шерсть, шелк, хлопок и т.п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент, известь, глина), образующие при соответствующей обработке трехмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы. Однако промышленное производство цепных полимеров началось в начале XX в., хотя предпосылки для этого создавались ранее. Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях – путем переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путем получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе. Первый полимерный материал из физически модифицированной целлюлозы – целлулоид – был получен еще в начале XX в. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят пленки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Необходимо отметить, что развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной пленки из нитроцеллюлозы.

Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу – продукт конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трехмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т.п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.

Благодаря усилиям Генри Форда, перед первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной промышленности сначала на основе натурального, затем также и синтетического каучука. Производство последнего было освоено накануне Второй мировой войны в Советском Союзе, Англии, Германии и США. В эти же годы было освоено промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата – без органического стекла под названием «плексиглас» было бы невозможно массовое самолетостроение в годы войны.

После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое еще до войны. В 50-х гг. XX в. было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон – искусственная шерсть из полиакрилонитрила замыкают список синтетических волокон, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности. В первом случае эти волокна очень часто сочетаются с натуральными волокнами из целлюлозы или из белка (хлопок, шерсть, шелк). Эпохальным событием в мире полимеров явилось открытие в середине 50-х годов XX столетия и быстрое промышленное освоение катализаторов Циглера–Натта, что привело к появлению полимерных материалов на основе полиолефинов и, прежде всего, полипропилена и полиэтилена низкого давления (до этого было освоено производство полиэтилена при давлении порядка 1000 атм.), а также стереорегулярных полимеров, способных к кристаллизации. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны – наиболее распространенные герметики, адгезивные и пористые мягкие материалы (поролон), а также полисилоксаны – элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью. Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в 60-70 гг. XX в. К ним относятся ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиры, полиэфиркетоны и др.; непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.

Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных – высокомолекулярных.

Особые механические свойства:

• эластичность – способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);

• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);

• способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и пленок).

Особенности растворов полимеров:

• высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;

• растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

• способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают уникальным для неживой природы свойством – гибкостью.

Множество веществ образуется в результате соединения нейтральных молекул без возникновения новых связующих пар электронов. Такие молекулярные соединения получили название комплексных. Причина их образования была раскрыта швейцарским ученым А. Вернером в 1893 г. Вернер ввел представление о главной и побочной валентностях. На примере комплексного соединения, содержащего молекулы K ₂ [Pt Cl₄]. Внешняя сфера комплекса представлена атомами K (калия), а внутренняя сфера – соединениями платины с хлором на основе главной и побочной валентностей рис. 1.

Главная валентность образована на основе ионной или ковалентной связи. Побочная – на основе ковалентной связи, возникающей за счет донорно-акцепторного механизма. Современные теоретические представления позволяют говорить о том, что комплексные соединения образуются при взаимодействии центрального положительно заряженноо иона, называемого комплексообразователем, и координирующихся вокруг него и составляющих внутреннюю сферу комплексов лигандов. Ионы, не вошедшие во внутреннюю сферу, составляют внешнюю сферу соединения. Для удобства при написании химических формул комплексных соединений внутренняя сфера отделяется от внешней квадратными скобками.

Число лигандов, удерживаемых комплексообразователем, называется координационным числом. В молекуле K ₂ [Pt Cl₄] оно равно четырем по числу ионов хлора.

Классификация комплексных соединений строится на природе лигандов. Различают по этому основанию следующие виды комплексных соединений: амиакты, аквакомплексы, ацидокомплексы, полигплогениды, циклические комплексы.

Амиакаты-это комплексные соединения, в которых лигандами являются молекулы аммиака [Cu (NH₃) ₄] SO_4.

Аквакомплексы-это комплексные соединения, в которых лиганды представлены водой (например, [Ca(H₂O)_6]] Cl).

Ацидокомплексы-это комплексы ликандами у которых служат кислотные остатки – анионы. К ним относятся кислоты.

Полигалогениды- это комплексные соединения, у которых комплексообразователем служит ион галогена, а лигандами –молекулы галогена (например, K[ I(I₂ )].

Циклические комплексы-это соединении, содержащие во внутренней сфере би- или полидетантный лиганд, охватывающий комплексообразователь рис.2.

ВСТАВИТЬ РИСУНОК

Кроме одноядерных комплексов встречаются полиядерные различных модификаций.

Комплексных соединений в природе значительно больше чем других неорганических соединений. Например, почва содержит многие виды кислот, которые в свою очередь являются комплексообразующими реагентами. Благодаря этому осуществляется сложное преобразование химических соединений в формы, доступные для усвоения растениями.

Исключительное значение комплексные соединения играют в процессах фотосинтеза, дыхания, биологического окисления, ферментативном катализе и др.

На стыке биологии и химии возникла новая научная область бионеорганическая химия, изучающая строение и свойства комплексных соединений, содержащихся в живых организмах.

Комплексные соединения имеют значение и в промышленном производстве, а также в экономике в целом. Они находят свое применение при получении и очистке редких металлов, включая драгоценные.

Широкое распространение они получили при решении проблемы охраны окружающей среды (сорбенты, экстрагенты и др.). Комплексные соединения доказывают единство природы веществ.

В настоящее время они имеют важное значение для получения различных химических материалов.