Синтез речовин основа сучасних технологій
Оригінальна робота
Витяг з роботи
Плазмохімічні процеси протікають у слабоіонізованій або низькотемпературній плазмі, при температурі від 1000 до 100 000С. Іонізовані та неіонізовані частинки плазми, що знаходяться у збудженому стані, в результаті легко вступають у хімічну реакцію. При цьому швидкість перерозподілу хімічних зв'язків між частинками, що реагують, дуже висока: тривалість елементарних актів хімічних перетворень не більше 10-13с при незначній оборотності реакції. Тому плазмохімічні процеси високопродуктивні. Наприклад, продуктивність метанового плазмохімічного реактора плазмотрона порівняно невеликих розмірів (довжиною 65 см і діаметром 15 см) становить 75 т ацетилену на добу. За продуктивністю він поступається величезному заводу. У ньому при температурі 3000 - 3500 ° C за 0,0001с близько 80% метану перетворюється на ацетилен. Коефіцієнт корисного споживання енергії 90-95%, а енерговитрати менше 3 кВт год на 1 кг ацетилену. У той же час у традиційному паровому реакторі піролізу метану енерговитрати вдвічі більше.
Останнім часом розроблено ефективний спосіб зв'язування атмосферного азоту за допомогою плазмохімічного синтезу оксиду азоту, який набагато економічніший за традиційний аміачний спосіб. Створено плазмохімічну технологію виробництва дрібнодисперсних порошків основної сировини для порошкової металургії. Розроблено плазмохімічні методи синтезу карбідів, нітридів, карбонітридів таких металів, як титан, цирконій, ванадій, ніобій та молібден, за порівняно невеликих енерговитрат 12 кВт год на 1 кг готової продукції.
У 70-х роках. XX ст. створені плазмохімічні сталеплавильні печі, що виробляють високоякіснийметал. Іонно-плазмова обробка робочої поверхні інструментів дозволяє підвищити їхню зносостійкість у кілька разів. В результаті подібної обробки можна сформувати, наприклад, пористий рельєф на рівній поверхні. Іонно-плазмове напилення у вакуумі широко застосовується на формування елементів сучасних інтегральних схем.
Методом плазмового напилення можна нанести пористе покриття зі складною мікроструктурою, що сприяє зрощенню ендопротезу з кістковою тканиною. За допомогою пористих покриттів можна збільшити ефективність каталізатора, підвищити коефіцієнт тепловіддачі
Плазмохімія дозволяє синтезувати металобетон, в якому як сполучні матеріали використовують сталь, чавун і алюміній. Металобетон утворюється при сплавленні частинок гірської породи з металом і за міцністю перевершує звичайний бетон: на стиск у 10 разів і на розтяг у 100 разів. У нашій країні розроблено плазмохімічний спосіб перетворення вугілля на рідке паливо без застосування високих тисків та викиду золи та сірки. Крім основного хімічного продукту синтез-газу, що видобувається з органічних сполук кам'яного або бурого вугілля, цей спосіб дозволяє отримати з неорганічних включень вугілля цінні сполуки: технічний кремній, карбосилиліцій, феросиліцій, адсорбенти для очищення води відходів.
4. САМОПОШИРЕНИЙ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИЙ СИНТЕЗ
Для виробництва багатьох тугоплавких та керамічних матеріалів застосовується технологія порошкової металургії, що включає операції пресування при високому тиску та спікання отриманої заготовки за відносно високої температури 1200 2000 °С. Однак ця технологія досить енергоємна: створення високих температур та тиску вимагаєвеликих енерговитрат. Набагато простіше і економічніше запропонована порівняно недавно технологія високотемпературного синтезу, що самопоширюється.
В даний час в ІСМАН методом СВС синтезовані практично всі відомі високотемпературні надпровідники на основі ітрію, інших рідкісноземельних металів, вісмуту та талію. Найбільш докладно вивчені механізм та закономірності СВС на прикладі отримання ітрій-барієвої кераміки складу Y123 за реакцією:
ЗСu + 2О2+½Y2O3+ (1,5-x)/2 О2=Y2Сu3O7-x+ Q
Ця реакція стала зручною моделлю дослідження закономірностей і механізму СВС ВТСП. Найпростішу інформацію можна одержати, аналізуючи термограму СВС-процесу, що відбиває температурний профіль хвилі синтезу.
Отримана інформація про механізм взаємодії компонентів свідчить, що освіту ВТСП в СВС є складним процесом. Основне тепловиділення, що забезпечує поширення хвилі синтезу та утворення фази (структури) кінцевого цільового продукту, відбувається неодночасно у просторово розділених зонах /28, westud.ru/.
Ця важлива риса СВС Y123 розширює можливості методу регулювання властивостей кінцевого продукту при різних впливах більш тривалу стадію вторинних процесів. У той же час наявність цієї стадії призводить до ефектів саморегулювання складу та структури кінцевого продукту та слабкої залежності від параметрів горіння.
Вже зараз СВС-технологія. порошків Y123 набула практичного використання. Порошки Y123 добре зарекомендували себе для отримання виробів (мішені для плазмового напилення) методом спікання; складних композитів типу полімерВТСП; виробів (мішені та екрани) меодом вибухового компактування СВС-порошки та вироби з них відповідають рівню кращихвітчизняних та зарубіжних зразків. Очевидно, що методом СВС можуть бути отримані не тільки ВТСП на основі ітрію та інших рідкісноземельних металів, але й інші при відповідному підборі складу шихти та умов синтезу.
Високотемпературний синтез, що самопоширюється, не вимагає трудомістких процесів і громіздких печей і відрізняється високою технологічністю. Вона легко піддається автоматизації. Промисловою установкою, що виробляє багатотоннажну продукцію, може керувати лише один оператор.
Для процесів СВС хімічна природа реагентів безпосереднього значення не має — важливі лише величина теплового ефекту реакції та закони тепловиділення та теплопередачі, агрегатний стан реагентів та продуктів, кінетика фазових та структурних перетворень та інші макроскопічні характеристики процесу.
Тому хімія СВС-процесів різноманітна. Найбільшого поширення набули
- Реакції синтезу з елементів
3Si + 2N2 = Si3N4
B2O3 +3Mg + N2 = 2BN + 3MgO
B2O3 + TiO2 +5Mg = TiB2 + 5MgO
MoO3 + B2O3 +4Al = MoB2 + 2Al2O3
3TiO2 + C + 4Al = TiC + 2Al2O3
2TiCl4 + 8Na + N2 = 2TiN + 8NaCl
- Реакції окислення металів у складних оксидних середовищах
3Cu + 2BaO2 + ½Y2O3 + 0.5(1.5 - x) O2 = YBa2Cu3O7-x
Nb + Li2O2 + ½Ni2O5 = 2LiNbO3
8Fe + SrO + 2Fe2O3 + 6O2 = SrFe12O19
Відомі також СВС-реакції
- синтезу із сполук
PbO + WO3 = PbWO4
— взаємодії з'єднань, що розкладаються, з елементами
2TiH2 + N2 = 2TiN + 2H2
4Al + NaN3 + NH4Cl = 4AlN + NaCl + 2H2
- Термічного розкладання складних сполук
2BH3N2H4 = 2BN + N2 + 7H2
Зміст
1. Синтез хімічних речовин 4
1.1. Управління хімічнимипроцесами 4
1.2. Синтез органічних та неорганічних сполук 7
2. Загальні тенденції розвитку сучасної хімії 10
3. Плазмохімія 12
4. Самопоширюваний високотемпературний синтез 14
5. Хімічні реакції при високих тисках 17
6. Процеси одержання твердих речовин за участю 18
газофазних реакцій 18
6.1. Синтез алмазів 19
У цій роботі розглядаються основні тенденції розвитку сучасної хімії, її пріоритетні напрямки наприкінці двадцятого та на початку двадцять першого століть. Робота складається з кількох підрозділів, де аналізуються докладніше деякі аспекти розвитку хімії у ХХ столітті; зокрема у цій частині присутні такі підрозділи, як плазмохімія, синтези твердих речовин. Наводяться також сфери застосування даних нових напрямків.
Актуальність теми полягає в тому, що синтез нових хімічних сполук та розробка нових методів синтезу – це важлива проблема хімії, що становить великий інтерес і для фізики, біології, геології, медицини, а також різних технічних наук. До теперішнього часу кількість хімічних сполук, відомості про які можна знайти в науковій літературі, перевищила 10 млн. Синтези нових сполук та пошуки нових методів синтезу продовжуються.
Мета цієї роботи показати необхідність синтезу речовин для сучасних технологій.
1. СИНТЕЗ ХІМІЧНИХ РЕЧОВИН
Управління хімічними процесами
Сучасне вчення про хімічні процеси включає фундаментальні знання багатьох галузей природознавства і насамперед фізики, хімії, біології та ін. Прагнення вчених створити лабораторії живого організму, де можна було б відтворювати хімічні процеси в біологічних системах, свідчить пронеобхідності органічного взаємозв'язку різних природничо-наукових галузей.
Наш співвітчизник, лауреат Нобелівської премії з хімії 1956 р., видатний хімік (18 961 986), який створив загальну теорію ланцюгових реакцій та заснував хімічну фізику, вважав себе фізиком. Він вважав, що хімічний процес не можна розглядати без сходження від таких простих об'єктів пізнання, як електрон, нуклон, атом і молекула до живої біологічної системи, бо будь-яка клітина будь-якого організму є, по суті, складним хімічним реактором. У зв'язку з цим будь-який хімічний процес це перехідний міст між фізичним та біохімічним об'єктами.
Один з найважливіших напрямів вчення про властивості речовини - створення методів управління хімічними процесами. Успіхи у розвитку сучасної хімії багато в чому визначаються ефективністю управління хімічними перетвореннями, підвищенню якої сприяє впровадження нових експериментальних методів із застосуванням сучасних технічних засобів контролю та аналізу складних молекулярних структур. Хімічне перетворення починається зі змішування реагентів та закінчується утворенням кінцевих продуктів. У більшості випадків воно включає ряд проміжних стадій, і для повного розуміння механізму реакції потрібні відомості про властивості проміжних речовин, що утворюються на кожній стадії, яка протікає, як правило, дуже швидко. Якщо 20-30 років тому технічні засоби експерименту дозволяли простежити за проміжними молекулами з часом життя близько однієї мільйонної частки секунди, то сучасні лазерні джерела випромінювання істотно розширили часовий діапазон досліджень від 10-6 до 10-15 с.
При взаємодії двох хімічних сполук утворення продуктів реакції визначається статистичною ймовірністю, яка залежить відвихідного енергетичного стану, збудження та взаємної орієнтації молекул при зіткненнях, у яких беруть участь молекули реагуючих сполук. Сучасна вакуумна техніка відкриває нові можливості для взаємодії сполук, що реагують, при зіткненні молекул. У глибокому вакуумі, де довжина вільного пробігу молекул велика, зіткнення молекул може відбуватися порівняно невеликому обсязі, що становить зону перекриття двох молекулярних пучків реагуючих сполук, в якій зростає ймовірність участі кожної молекули не більше ніж в одному зіткненні, що призводить до реакції. Це означає, що з'явилася реальна можливість вивчення тонких процесів і управління хімічними перетвореннями.
Визначення характеристик атомних та молекулярних частинок (їх структури та складу) в аналітичній хімії називають якісним аналізом, а вимір їх відносного змісту кількісним аналізом. Нові методи якісного та кількісного аналізу ґрунтуються на останніх досягненнях різних галузей природознавства та, насамперед, фізики. Методи аналітичної хімії широко застосовуються в різних галузях хімії, в медицині, сільському господарстві, геології, екології.
Для кількісного аналізу досліджувані складні суміші та сполуки поділяються на компоненти. Для цього застосовується універсальний метод хроматографії. Його сутність полягає в тому, що різні речовини в рідкій або газоподібній фазі мають різну міцність зв'язку з поверхнею, з якою вони знаходяться в контакті. За допомогою хроматографії можна розділити та зафіксувати надзвичайно мала кількість речовини у суміші близько 10
12 р. Крім того, хроматографія дозволяє розділити багатокомпонентні газоподібні суміші, що містять речовини різного ізотопного складу.
Для аналізу та ідентифікації структури складних молекул, що поєднують велику кількість атомів з різними взаємними зв'язками, широко застосовуються засновані на фізичних принципах експериментальні методи ядерного магнітного резонансу, оптичної спектроскопії, мас-спектроскопії, рентгеноструктурного аналізу, нейтронографії.
У керуванні хімічними процесами важливу роль відіграють попередні розрахунки, що дозволяють визначити властивості синтезованих молекул. Ще першій половині XX в. з розвитком квантової теорії з'явилася можливість розраховувати взаємодію електронів та атомних ядер при хімічних реакціях. Однак на практиці такі розрахунки довго залишалися недосяжними: аж надто складні рівняння квантової механіки для комплексних об'єктів молекул і навіть атомів з безліччю електронів, що рухаються. Вирішення подібного завдання стало можливим при врахуванні електронної щільності, а не руху окремих електронів у молекулі чи атомі. Такий підхід дозволяє розраховувати властивість і структуру навіть складних молекул, наприклад білкових. За вирішення цього завдання квантової хімії австрійський фізик Вальтер Кон та англійський математик і фізик Джон Попл (обидва вчені працюють у США) удостоєні 1998 р. Нобелівської премії з хімії.
Список літератури
Карпенков сучасного природознавства. - М.: Академічний проект, 2002. 368с.
2. Піментел Дж., Кунрод Дж. Можливості хімії сьогодні та завтра. М.: Світ, 1992, 288 з.
3. Свиридов сьогодні та завтра. Мінськ: Вид-во університетське, 1987. 128 с.
4. , , Василівська синтез. Мінськ: Вид-во університетське, 1996. 166 с.
5. Про тенденції розвитку сучасної органічної хімії Соросовський Освітній Журнал, 1996
6. . «Самопоширюваний високотемпературний синтез.Сучасні проблеми». Фізична хімія. М. "Хімія" 1983 р.