Химическая промышленность и химические технологии. Масштабы химической индустрии Классификация и описание подотраслей

, нефтехимическая промышленность , энергетика, транспорт, военная техника и многие другие.

Химические технологии в историческом развитии

При рассмотрении развития химической технологии XX в., особенно после первой мировой войны, можно вскрыть некоторые характерные, специфические ее черты. Известно, что 99,5% земной коры состоит из 14 химических элементов : кислорода, кремния, углерода, алюминия, железа, кальция, натрия, магния, калия, водорода, титана, фосфора, хлора и серы. Однако, несмотря на массовое распространение многих из этих элементов, они не были втянуты в орбиту химической промышленности в XIX в. Это в равной мере относится и к фтору, титану, хлору, магнию, алюминию и к водороду.

Для химической технологии XX в. характерно обращение именно к этим наиболее распространенным элементам. Водород в настоящее время — это хлеб современной химии . Синтез аммиака , синтез спиртов, синтез жидкого топлива и т. д. ежегодно требуют производства миллиардов кубических метров водорода. Широкое вовлечение водорода в химическое производство — характерная черта химии XX в.

Большое значение в современной технике приобретает химия кремния и, в частности, химия кремнийорганических соединений. Исключительное значение приобретает также химия титана, хлора, магния, калия, алюминия. Вместе с тем химическая технология, особенно в связи с развитием атомной и реактивной техники, стремится использовать наиболее редкие и рассеянные элементы земной коры, являющиеся важнейшей основой техники XX в.

Основой органического синтеза XIX в. была каменноугольная смола, получаемая при коксовании углей. В XX веке это сырье уступает свое место простым и легкодоступным газам, получаемым из широкой гаммы твердых топлив, начиная от торфа, низкосортных бурых углей и кончая антрацитом и коксом. В больших масштабах используются газы, получаемые при добыче и переработке нефти. На протяжении XX в. все шире используются природные ископаемые газы (рис. 1).

Рис1. Продукты, получаемые из природного газа (метана).

Таким образом, если в XIX в. основой химической промышленности являлась каменноугольная смола, то в первой половине XX в. основной сырьевой базой промышленности органического синтеза становятся уголь и нефть и получаемые из них газы: водород, окись углерода, богатейшая гамма углеводородов и целый ряд других материалов. Азот, водород, кислород, хлор, фтор, окись углерода, метан, ацетилен, этилен и некоторые другие газы являются основной сырьевой базой современной химии. Следовательно, характерной чертой новейшей химической технологии являются применение распространенных элементов, ранее использовавшихся в ничтожных масштабах, и превращение их в основу современной химической технологии, а также широкое использование в качестве химического сырья твердого топлива, жидких и газообразных углеводородов.

Характерной чертой химической технологии является также использование редких элементов, связанных, в частности, с требованиями атомной техники. Химия в значительной мере способствует развитию ядерной техники, давая ей различные материалы — металлы (уран, литий и др.), тяжелую воду, водород, пластмассы и др.

Вначале было освоено производство основной аппаратуры для синтеза аммиака. Были разработаны и созданы колонны синтеза, сепараторы, водяные и аммиачные скрубберы для очистки газов от углекислого газа и окиси углерода, а также центрифуги, вакуум-фильтры, автоклавы для вулканизации резины, прессы для пластмасс, аппаратура глубокого охлаждения и т. д. Особое значение начиная с 20-х годов приобрели мощные установки разделения нефтяных газов, высокоэффективная ректификационная и адсорбционная аппаратура, компрессоры высокого давления и реакторы, холодильные установки и др. Основной тенденцией современной химии является стремление заранее проектировать молекулярную структуру вещества в соответствии кислород, хлор, фтор, окись углерода, метан, ацетилен, этилен и некоторые другие газы являются основной сырьевой базой современной химии.

Следовательно, характерной чертой новейшей химической технологии являются применение распространенных элементов, ранее использовавшихся в ничтожных масштабах, и превращение их в основу современной химической технологии, а также широкое использование в качестве химического сырья твердого топлива, жидких и газообразных углеводородов.

Следует отметить, что одной из особенностей современной химии является требование к чистоте производимых продуктов. Примеси, содержащиеся в исходных веществах, часто отрицательно влияют на свойства получаемого продукта. Поэтому в последнее время в химической промышленности все более применяются очень чистые исходные вещества (мономеры), содержащие не менее 99,8—99,9% основного вещества. Характерной особенностью современной химической технологии является то, что на ее вооружение становятся новые методы воздействия; особенно важным являются применение высоких давлений от нескольких сот до 1500—2000 и выше атмосфер, глубокого вакуума (до тысячных долей атмосферы), высоких температур до нескольких тысяч градусов, применение глубокого холода (низкие температуры, близкие к абсолютному нулю), а также использование электроразрядов, ультразвука, радиоактивных излучений и т. д. Естественно, что повышение технического уровня химического производства вообще, а следовательно, и быстрое развитие промышленности органического синтеза в частности обеспечиваются снабжением химической промышленности современным, высокопроизводительным оборудованием, соответствующими аппаратами и машинами. Вначале было освоено производство основной аппаратуры для синтеза аммиака. Были разработаны и созданы колонны синтеза, сепараторы, водяные и аммиачные скрубберы для очистки газов от углекислого газа и окиси углерода, а также центрифуги, вакуум-фильтры, автоклавы для вулканизации резины, прессы для пластмасс, аппаратура глубокого охлаждения и т. д. Особое значение начиная с 20-х годов приобрели мощные установки разделения нефтяных газов, высокоэффективная ректификационная и адсорбционная аппаратура, компрессоры высокого давления и реакторы, холодильные установки и др. Основной тенденцией современной химии является стремление заранее проектировать молекулярную структуру вещества в соответствии с заранее заданными свойствами. Синтез веществ с заранее заданными свойствами в современной химии ведется не вслепую, а на основании глубокого изучения законов образования молекул. Поэтому большое развитие получает целый ряд новых разделов химической науки.

По существу, от случайных поисков и находок химия начиная с 1920-х годов перешла к планомерной замене и вытеснению естественных дефицитных материалов материалами, по качеству не только не уступающими, а, наоборот, превосходящими эти естественные материалы. Например, чилийская природная селитра была вытеснена синтетическими азотными соединениями. Синтетический каучук по своим качествам не уступает каучуку естественному. В последние годы некоторые исследователи работают над поднятием качества не синтетического, а естественного каучука, чтобы он мог конкурировать с некоторыми специальными видами синтетических каучуков. Большие успехи достигнуты в области синтеза искусственного волокна, производство которого насчитывает каких-нибудь несколько десятков лет.

Начиная с 1920-х годов естественные продукты как бы оттесняются в сторону и на их место приходят не уступающие им по качеству синтетические продукты. Это совершенно естественный процесс. Дело в том, что химические методы обработки вещества, внедрение химических процессов в производство приводят к сильному сокращению времени производства и к значительному снижению трудовых затрат, а вместе с тем и к получению продуктов более высокого качества, чем натуральные продукты. Так, если па выпуск 1 т искусственного вискозного штапельного волокна требуется 70 человеко-дней, то на производство 1 т хлопчатобумажного волокна затрачивается 238 человеко-дней. При производстве вискозного шелка трудовые затраты примерно в 10 раз меньше, чем при производстве натурального шелка. При получении 1 т этилового спирта (необходимого для производства ряда синтетических продуктов) из нефтяного сырья затраты труда по сравнению с производством этого спирта из пищевого сырья уменьшаются в 20—22 раза.О том, как много сделано в области синтеза новых веществ, говорят следующие данные. В настоящее время известно 100 тыс. неорганических химических соединений в природе, число же известных органических веществ, природных и искусственных, превысило три миллиона и продолжает быстро расти. Только промышленно освоенные соединения, полученные на базе нефти, насчитывают 10 тыс. наименований. Наряду с созданием новых синтетических материалов идет непрерывный процесс улучшения качества уже существующих, вырабатываемых промышленностью веществ. Наконец, в настоящее время доказана принципиальная возможность искусственного получения природных соединений любой сложности. Недалеко то время, когда в лабораториях химиков-органиков будут синтезированы различного вида сложные белковые вещества, являющиеся основой жизни.

Характерной чертой современной техники является то, что она развивается на базе широчайшего применения электричества. Причем если раньше паровая машина лишь в какой-то степени давала технологическое «сырье» для химической промышленности в виде пара и тепла, то электричество становится важнейшим элементом своеобразного технологического «сырья» для таких, например, процессов, как электролиз.

Для производства аммиака, синтезированного из полученного электролизом воды водорода и азота воздуха, нужно израсходовать примерно 12 тыс. квт-ч электроэнергии. Для изготовления синтетического каучука на основе этилена расходуется около 15 тыс. квт-ч, а для некоторых других видов каучука — 17 тыс. квт-ч и даже больше. На производство одной тонны ацетатного шелка расходуется 20 тыс. квт-ч, тонны фосфора — от 14 до 20 тыс. квт-ч и тонны искусственных абразивов — около 6—9 тыс. квт-ч — это примерно столько же, сколько и на производство мощного трактора.

Для развития химической промышленности характерна широчайшая автоматизация технологических процессов. Комплексная автоматизация прежде всего необходима именно в химической промышленности, для которой характерны крупные масштабы производства. Автоматизации химической промышленности способствует преобладание в ней непрерывных процессов производства, а также вредных и даже опасных работ. В химической промышленности прежде всего полностью автоматизированы процессы регулирования температуры, давления, состава, скорости протекания реакций и т. д., так как для непрерывных химических процессов (недоступных для непосредственного наблюдения) особенно важно поддерживать стабильность технологических режимов. В химическом производстве в основном осуществлена полная механизация и автоматизация, а за человеком остаются лишь функции надзора и контроля, а также выполнение профилактического ремонта.

Важнейшими направлениями автоматизации химического производства являются внедрение новых автоматических устройств, основанных на использовании электронных математических машин, переход к комплексной механизации и автоматизации целых химических заводов. В США наибольшее развитие автоматизация производства получила именно в нефтяной и химической промышленности. Наряду с автоматизацией управления отдельных установок, отдельных технологических процессов вводятся в строй полностью автоматизированные предприятия, как, например, пущенный в 1949 г. в эксплуатацию нефтеперерабатывающий завод, оборудованный электронной системой управления производственными процессами, а затем аммиачный завод фирмы « Спенсер Кэмикл», отличающийся высокой степенью автоматизации производственных процессов. Бурное развитие химии привело к тому, что только на протяжении 10—15 лет после окончания второй мировой войны были созданы сотни новых материалов, заменяющих металл, дерево, шерсть, шелк, стекло и многое другое.

Ускоренными темпами идет развитие производства синтетических материалов, требующихся для обеспечения технического прогресса в различных отраслях народного хозяйства. При этом характерным являются рост производства минеральных удобрений, а также ядохимикатов и аммиака, увеличение использования нефтяных и природных газов, коксового газа и продуктов коксования углей для производства синтетических смол, каучука, спирта, моющих средств, высококачественных лаков и красителей, пластмасс, искусственного волокна, электроизоляционных материалов, специальных материалов для машиностроения, радиотехники и др.

В частности, осуществляется внедрение новых эффективных методов синтеза, чтобы избежать расходования огромных количественных пищевых продуктов при производстве изделий технического назначения. Например, расход огромного количества зерна на производство этилового спирта для получения синтетического каучука выдвинул задачу замены пищевых продукто в синтетическим спиртом. Для получения 1 т этилового спирта вместо 4 т зерна или же 10 т картофеля достаточно израсходовать 2 т сжиженного природного газа. Для производства 1 т синтетического каучука вместо почти 9 т зерна или 22 т картофеля достаточно затратить только около 5 т сжиженных газов нефтеперерабатывающих заводов.

Многие экономисты считают, что в ближайшее десятилетие более 50% мировой химической продукции будет получено из нефтяного сырья. Все это говорит о больших достижениях органического синтеза.

После Октябрьской революции 1917 развитие социалистического производства потребовало расширения сферы практического приложения химии, повышения роли специального химического и химико-технологическго образования, поднятия уровня подготовки как исследователей и преподавателей, так и инженеров-химиков. В начале 1920-х гг. организуются самостоятельные химические отделения в составе физико-математических факультетов университетов. На этих отделениях введены специализации по неорганической, физической, органической, аналитической химии , биохимии и агрохимии. В 1920 создан Московский химико-технологический институт им. Д. И. Менделеева. С 1929 на базе химических отделений в университетах открываются самостоятельные химические факультеты для подготовки специалистов для научно-исследовательских учреждений и лабораторий химических производств, создаются новые химико-технологические институты.

С середины 1950-х гг. в химии и химической технологии создаются тончайшие методы исследования различных веществ, производятся новые материалы — химические волокна, пластмассы, ситаллы, полупроводники, новые физиологически активные вещества и лекарственные препараты, химические удобрения и инсектофунгициды. Химия проникла во все отрасли науки и народного хозяйства. Химическое образование поэтому стало составной частью подготовки специалистов в политехнических, индустриальных, металлургических, энергетических, электротехнических, машино- и приборостроительных, геологических, горных, нефтяных, с.-х., лесотехнических, медицинских, ветеринарных, пищевой, лёгкой промышленности и др. высших и средних специальных учебных заведениях.

Специалистов для научной и педагогической деятельности готовят главным образом химические факультеты университетов и педагогические институты, а также факультеты химико-биологические, биолого-химические, естествознания и др.

Подготовка специалистов-химиков в советских университетах длится 5 лет (на вечерних и заочных отделениях — до 6). Здесь изучаются специальные курсы неорганической, органической, аналитической, физической, коллоидной химии, кристаллохимии , общей химической технологии, химии высокомолекулярных соединений . Свыше половины учебного времени по специальным дисциплинам занимает работа студентов в лабораториях. Студенты проходят производственную практику (28 нед.) на предприятиях, в научно-исследовательских учреждениях и лабораториях.

Подготовка специалистов по химии и химической технологии и преподавателей для высших учебных заведений продолжается в аспирантуре Наиболее крупными центрами подготовки специалистов-химиков, кроме университетов, являются институты: Московский химико-технологический им. Д. И. Менделеева, Ленинградский технологический им. Ленсовета, Московский институт тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова, Белорусский технологический им. С. М. Кирова, Воронежский технологический, Днепропетровский химико-технологический им. Ф. Э. Дзержинского, Ивановский химико-технологический, Казанский химико-технологический им. С. М. Кирова, Казахский химико-технологический и др.

Специалисты-химики (техники-технологи) готовятся также в средних специальных учебных заведениях — в химических и химико-технологических техникумах, расположенных, как правило, в центрах химической промышленности, при крупных химических комбинатах. В 1977 свыше 120 таких учебных заведений готовили техников свыше 30 химических и химико-технологических специальностей (химическая технология нефти, газа, угля, стекла и изделий из него, технология химических волокон и др.). Окончившие эти учебные заведения используются на химических производствах в качестве мастеров, бригадиров, лаборантов, аппаратчиков и др. Химико-технологические профессионально-технические училища удовлетворяют потребность в квалифицированных рабочих для различных отраслей химической промышленности.

Совершенствование структуры и содержания химического и химико-технологического образования связано с научной и педагогической деятельностью многих советских учёных — А. Е. Арбузова, Б. А. Арбузова, А. Н. Баха, С. И. Вольфковича, Н. Д. Зелинского, И. А. Каблукова , В. А. Каргина, И. Л. Кнунянца, Д. П. Коновалова, С. В. Лебедева, С. С. Наметкина , Б. В. Некрасова, А. Н. Несмеянова, А. Е. Порай-Кошица, А. Н. Реформатского, С. Н. Реформатского, Н. Н. Семенова, Я. К. Сыркина, В. Е. Тищенко, А. Е. Фаворского и др. Новые достижения химически наук освещаются в специальных химических журналах, помогающих в совершенствовании научного уровня курсов химии и химической технологии в высшей школе.

В развитых странах крупными центрами структуры и содержания химического и химико-технологического образования являются: Великобритании — Кембриджский, Оксфордский, Батский, Бирмингемский университеты, Манчестерский политехнический институт; в Италии — Болонский, Миланский университеты; в США — Калифорнийский, Колумбийский, Мичиганский технологические университеты, Толедский университет, Калифорнийский, Массачусетсский технологические институты; во Франции — Гренобльский 1-й, Марсельский 1-й, Клермон-Ферранский, Компьенский технологический, Лионский 1-й, Монпельеский 2-й, Парижские 6-й и 7-й университеты, Лоранский, Тулузский политехнические институты; в Гепмании — Дортмундский, Ганноверский, Штутгартский университеты, Высшие технические школы в Дармштадте и Карлсруэ; в Японии — Киотский, Окаямский, Осакский, Токийский университеты и др.

, М., 1971;

Основы технологии и нефтехимического синтеза , под ред. А. И. Динцеса и Л. А. Потоловского, М., 1960.

Химия в современных технологиях

Елпатова Ольга Ивановна,

Преподаватель химии

Цель работы – проанализировать историю создания ЭВМ и показать, какие химические элементы используются в развитии компьютерных технологий.

На протяжении нескольких последних десятилетий компьютерная технология развивается по пути все большей миниатюризации деталей и все большего удорожания их производства. Микропроцессоры последних поколений содержат огромное число транзисторов (10 млн. и более), имеющих размеры в десятую долю микрона (10 -7 метра). Следующий шаг в сторону микромира приведет к нанометрам (10 -9 метра) и миллиардам транзисторов в одном чипе. Еще чуть-чуть - и мы попадем в диапазон атомных размеров, где все начинают действовать законы квантовой механики.

Ричард Фейнман еще лет двадцать назад заметил, что законы физики не будут препятствовать уменьшению размеров вычисляющих устройств до тех пор, «пока биты, не достигнут размеров атомов, и квантовое поведение не станет доминирующим». Другая проблема, указывающая на то, что современная технология создания компьютеров изживает себя - это проблема приближения к пределу быстродействия. Так, современные компьютерные носители способны вмещать миллионы записей, с которыми уже не справляются существующие алгоритмы поиска.

Это привело к повышению производительности ЭВМ в целом. Отправной точкой всех «технологических прорывов» в компьютерной технике являются открытия в фундаментальных науках, таких как физика и химия.

В вычислительной технике существует периодизация развития электронных вычислительных машин. ЭВМ относят к тому или иному поколению в зависимости от типа основных используемых в ней элементов или от технологии их изготовления.

Анализ истории создания ЭВМ показал, что в развитии компьютерных технологий наметилась тенденция к уменьшению размеров ключевых элементов и увеличению скорости их переключения. За основу мы взяли теорию о пяти поколениях компьютеров вместо шести, т.к. мы считаем, что находимся на рубеже четвертого и пятого поколениях.

Одним из первых химических элементов встречающихся в истории ЭВМ является германий. Германий один из самых важных элементов для технического прогресса, так как наряду с кремнием германий стал важнейшим полупроводниковым материалом.

По внешнему виду германий нетрудно спутать с кремнием. Эти элементы не только конкуренты, претендующие на звание главного полупроводникового материала, но и аналоги. Впрочем, несмотря на сходство многих технических свойств, отличить германиевый слиток от кремниевого довольно просто: германий в два с лишним раза тяжелее кремния.

Формально, полупроводник – это вещество с удельным сопротивлением от тысячных долей до миллионов омов на 1 см.

Замечательна чувствительность германия не только к внешним воздействиям. На свойства германия сильно влияют даже ничтожные количества примесей. Не менее важна химическая природа примесей.

Добавка элемента V группы позволяет получить полупроводник с электронным типом проводимости. Так готовят ГЭС (германий электронный, легированный сурьмой). Добавив же элемент III группы, мы создадим в нем дырочный тип проводимости (чаще всего это ГДГ – германий дырочный, легированный галлием).

Напомним, что «дырки» – это места, освобожденные электронами, перешедшими на другой энергетический уровень. «Квартиру», освобожденную переселенцем, может тут же занять его сосед, но у того тоже была своя квартира. Переселения совершаются одно за другим, и дырка сдвигается.

Сочетание областей с электронной и дырочной проводимостью легло в основу самых важных полупроводниковых приборов – диодов и транзисторов.

Создание диодов легло в основу первого поколения компьютеров на основе электронных ламп в 40-х годах. Это электровакуумные диоды и триоды, представляющие собой стеклянную колбу, в центре которой размещалась вольфрамовая нить накала.

Вольфрам причисляют обычно к редким металлам. Он отличается от всех остальных металлов особой тяжестью, твердостью и тугоплавкостью.

В начале XX в. вольфрамовую нить стали применять в электрических лампочках: она позволяет доводить накал до 2200°C и обладает большой светоотдачей. И в этом качестве вольфрам совершенно незаменим в наши дни. Незаменимость вольфрама в этой области объясняется не только его тугоплавкостью, но и пластичностью. Из одного килограмма вольфрама вытягивается проволока длиной 3,5 км, т.е. этого килограмма достаточно для изготовления нитей накаливания 23 тыс. 60-ваттных лампочек. Именно благодаря этому свойству мировая электротехническая промышленность потребляет всего около 100 т вольфрама в год.

Электронную начинку UNIVAC составляло более 5000 вакуумных ламп. Память на ртутных колбах позволяла хранить информацию объемом до полутора килобайт. Наиболее примечательным элементом в конструкции UNIVAC был специальный накопитель, который позволял записывать информацию и считывать ее с магнитной ленты. Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.

Появление первого поколения компьютеров стало возможно благодаря трем техническим новшествам: электронным вакуумным лампам, цифровому кодированию информации и созданию устройств искусственной памяти на электростатических трубках.

Во втором поколении компьютеров вместо электронных ламп использовались транзисторы, изобретённые в 1948 г. Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических "усика" контактировали с бруском из поликристаллического германия. Поликристаллический германий получали вплавлением индия с обеих сторон пластинки ГЭС. Для всех областей нужен германий очень высокой чистоты – физической и химической. Для достижения ее выращивают монокристаллический германий: весь слиток – один кристалл.

Транзисторы были более надёжны, долговечны, обладали большой оперативной памятью.

С изобретением транзистора и использованием новых технологий хранения данных в памяти появилась возможность значительно уменьшить размеры компьютеров, сделать их более быстрыми и надежными, а также значительно увеличить емкость памяти компьютеров.

Подобно тому, как появление транзисторов привело к созданию второго поколения компьютеров, появление интегральных схем ознаменовало собой новый этап в развитии вычислительной техники - рождение машин третьего поколения .

Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм 2 . До 1965 г. большая часть полупроводниковых приборов делалась на германиевой основе. Но в последующие годы стал развиваться процесс постепенного вытеснения германия самим кремнием . Этот элемент – второй по распространенности на Земле после кислорода. Не идеальный, а просто высокочистый и сверхчистый кремний стал важнейшим полупроводниковым материалом. При температуре, отличной от абсолютного нуля, в нем возникает собственная проводимость, причем носителями электрического тока являются не только свободные электроны, но и так называемые дырки – места, покинутые электронами.

Вводя в сверхчистый кремний те или иные легирующие добавки, в нем создают проводимость того или иного типа. Добавки элементов третьей группы менделеевской таблицы ведут к созданию дырочной проводимости, а пятой – электронной.

Кремниевые полупроводниковые приборы выгодно отличаются от германиевых, прежде всего лучшей работоспособностью при повышенных температурах и меньшими обратными токами. Большим преимуществом кремния оказалась и устойчивость его двуокиси к внешним воздействиям. Именно она позволила создать наиболее прогрессивную планарную технологию производства полупроводниковых приборов, состоящую в том, что кремниевую пластинку нагревают в кислороде или смеси кислорода с водяным паром, и она покрывается защитным слоем SiO 2 .

Вытравив затем в нужных местах «окошки», через них вводят легирующие примеси, здесь же присоединяют контакты, а прибор в целом тем временем защищен от внешних воздействий. Для германия такая технология пока невозможна: устойчивость его двуокиси недостаточна.

Под натиском кремния, арсенида галлия и других полупроводников германий утратил положение главного полупроводникового материала. В 1968 г. в США производилось уже намного больше кремниевых транзисторов, чем германиевых.

Маленькая пластинка из кристаллического материала размерами примерно 1 мм 2 превращается в сложнейший электронный прибор, эквивалентный радиотехническому блоку из 50-100 и более обычных деталей. Он способен усиливать или генерировать сигналы и выполнять многие другие радиотехнические функции.

Первые интегральные схемы (ИС) появились в 1964 году. Появление ИС означало подлинную революцию в вычислительной технике. Ведь она одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп. Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились. В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.

Появилась идея интегральной микросхемы – кремниевого кристалла, на который монтируются миниатюрные транзисторы и другие элементы. В том же году появился первый образец интегральной микросхемы, содержащий пять транзисторных элементов на кристалле германия. Ученые довольно быстро научились размещать на одной интегральной микросхеме сначала десятки, а затем сотни и больше транзисторных элементов. Компьютеры третьего поколения работали со скоростью до одного миллиона операций в секунду.

Начиная с середины 70-х все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, - прежде всего, за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

В начале 70-х годов. была предпринята попытка выяснить, можно ли на одном кристалле разместить больше одной интегральной схемы. Развитие микроэлектроники привело к созданию четвертого поколения машин и появлению больших интегральных схем . Появилась возможность размещать на одном-единственном кристалле тысячи интегральных схем.

Это позволило объединить в единственной миниатюрной детали большинство компонентов компьютера - что и сделала в 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор. Центральный процессор небольшого компьютера оказалось возможным разместить на кристалле, площадью всего в четверть квадратного дюйма (1,61 см 2 ). Началась эпоха микрокомпьютеров.

Интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов. Каково же быстродействие современной микро ЭВМ? Оно в 10 раз превышает быстродействие ЭВМ третьего поколения на интегральных схемах, в 1000 раз - быстродействие ЭВМ второго поколения на транзисторах и в 100000 раз - быстродействие ЭВМ первого поколения на электронных лампах.

Следовательно, нужны компьютеры с более высокими скоростными характеристиками. Поэтому специалисты во всем мире взялись за решение этой проблемы путем создания вычислительной системы будущего. В настоящее время ведутся экспериментальные разработки квантового компьютера, биокомпьютера , нейрокомпьютера , оптического компьютера, вероятностного компьютера наноэлектроники, нанокомпьютера, нанороботов, молекулярно-механических автоматов, высокотемпературных полупроводниковых материалов.

Каждый учитель хочет, чтобы его предмет вызывал глубокий интерес у школьников, чтобы ученики умели не только писать химические формулы и уравнения реакций, но и понимать химическую картину мира, умели логически мыслить, чтобы каждый урок был праздником, маленьким представлением, доставляющим радость и ученикам и учителю. Мы привыкли, что на уроке учитель рассказывает, а ученик слушает и усваивает. Слушать готовую информацию – один из самых неэффективных способов учения. Знания не могут быть перенесены из головы в голову механически (услышал – усвоил). Многим кажется, что нужно только заставить слушать ученика и дело тут же пойдет на лад. Однако ученик, как любая личность, наделен свободой воли, с которой нельзя не считаться. Поэтому нарушить этот природный закон и подчинить их себе даже ради благих целей невозможно. Желательного результата на этом пути добиться нельзя.

Отсюда следует, что необходимо сделать из ученика активного соучастника учебного процесса. Ученик может усвоить информацию только в собственной деятельности при заинтересованности предметом. Поэтому учителю нужно забыть о роли информатора, он должен исполнять роль организатора познавательной деятельности ученика.

Можно выделить различные виды деятельности по освоению нового материала учеником: материальную, материализованную и интеллектуальную. Под материальной деятельностью понимают деятельность с объектом изучения. Для химии таким объектом является вещество, т.е. материальной деятельностью на уроках химии является проведение опытов. Опыты могут проводить ученики или демонстрироваться учителем.

Материализованная деятельность – это деятельность с материальными моделями, формулами, табличным, цифровым, графическим материалом и т.д. В химии – это деятельность с материальными моделями молекул, кристаллическими решетками, химическими формулами, решение химических задач, сопоставление физических величин, характеризующих изучаемые вещества. Любая внешняя деятельность (деятельность руками) отражается в мозге, т.е. переходит во внутренний план, в интеллектуальную деятельность. Проводя опыты, составляя химические формулы и уравнения, сопоставляя цифровой материал, ученик делает выводы, систематизирует факты, устанавливает определенные взаимосвязи, проводит аналогии и т.д.

Итак, учитель должен организовать на уроке для ученика все виды учебно-познавательной деятельности. Необходимо, чтобы учебно-познавательная деятельность ученика соответствовала тому учебному материалу, который должен быть усвоен. Необходимо, чтобы в результате деятельности, ученик самостоятельно приходил к каким-либо выводам, чтобы сам для себя созидал знание.

Важнейшим принципом дидактики, является принцип самостоятельного созидания знаний, который заключается в том, что знание учеником не получается в готовом виде, а созидается им самим в результате организованной учителем определенной познавательной деятельности.

Самостоятельное открытие малейшей крупицы знания учеником доставляет ему огромное удовольствие, позволяет ощутить свои возможности, возвышает его в собственных глазах. Ученик самоутверждается как личность. Эту положительную гамму эмоций школьник хранит в памяти, стремится пережить еще и еще раз. Так возникает интерес не просто к предмету, а что более ценно – к самому процессу познания – познавательный интерес. Развитию познавательных и творческих интересов у учащихся способствуют различные виды технологий: компьютерные технологии, технология проблемного и исследовательского обучения, технология игрового обучения, использование тестов.

1. Компьютерная технология

Использование компьютера и мультимедийных технологий дают положительные результаты при объяснении нового материала, моделировании различных ситуаций, при сборе нужной информации, при оценке ЗУН и т. д., а также позволяют на практике реализовать такие методы обучения, как: деловые игры, упражнения по решению проблем, презентации и прочее. Компьютерная технология дает возможность располагать таким объемом информации, которым не владеют учителя, опирающиеся на традиционные методы обучения. В мультимедийных обучающих программах используются анимации и звуковое сопровождение, которые, воздействуя сразу на несколько информационных каналов обучаемого, усиливают восприятие, облегчают усвоение и запоминание материала. На своих уроках использую различные программы на компакт дисках, которые помогают мне для объяснения новых или повторения старых тем, закрепить и систематизировать полученные знания. Пример одного урока. Тема: “Подгруппа кислорода, характеристика. Получение кислорода”. В процессе урока использовался мультимедиа проектор, где на экране демонстрировались опыты, которые в школьной лаборатории продемонстрировать невозможно. Так же на экране проектировались несколько таблиц. Ребятам предлагалось проанализировать, сравнить и сделать вывод. Из вышесказанного приходим к выводу, что компьютерная технология повышает уровень обучения и вызывает интерес учащихся к предмету.

2. Технология проблемного обучения

Технология проблемного обучения предполагает создание под руководством учителя проблемных ситуаций и активную самостоятельную деятельность учащихся по их разрешению, в результате чего и происходит творческое овладение знаниями, навыками, умениями и развитием мыслительных способностей. Проблемные ситуации на уроке могут возникать самым неожиданным образом. Например, в 8-ом классе при изучении темы “Электроотрицательность” ученик задал вопрос: “Водород отдает электроны литию или наоборот?” Одноклассники ответили, что электроны отдает литий, так как у него радиус атома больше. Тут же другой ученик спросил: “А во что превратится тогда водород?” Мнения разделились: одни посчитали, что атом водорода, присоединяя электрон, превратился в атом гелия, так как у него стало два электрона, а другие не согласились с этим, возразив, что у гелия заряд ядра +2, а у данной частицы +1. Так что же это за частица? Возникла проблемная ситуация, которую можно разрешить, ознакомившись с понятием об ионах. Проблемную ситуацию на уроке может создать и сам учитель. Пример урока. Тема: “Простые и сложные вещества”. Учитель предоставляет ученику широкое поле деятельности: задает проблемные вопросы, предлагает из перечня различных веществ выписать отдельно простые и сложные вещества и подводит к тому, чтобы ученик сам, используя свой жизненный опыт, знания предыдущих уроков, попытался сформулировать понятие простого и сложного вещества. Ученик сам для себя созидает знания, так возникает интерес не просто к предмету, а к самому процессу познания.

3. Технология исследовательского обучения

Исследовательская деятельность школьников – это совокупность действий поискового характера, ведущих к открытию неизвестных фактов, теоретических знаний и способов деятельности. Таким путем учащиеся знакомятся с основными методами исследования в химии, овладевают умениями самостоятельно добыть новые знания, постоянно обращаясь к теории. Привлечение опорных знаний для решения проблемных ситуаций предполагает формирование и совершенствование как общеучебных, так и специальных умений учащихся (проводить химические опыты, соотносить наблюдаемые явления с изменениями состояния молекул, атомов, ионов, проводить мысленный химический эксперимент, моделировать сущность процессов и т. п.). Исследование может проводиться с целью получения новых знаний, обобщения, приобретения умений, применять полученные знания, изучения конкретных веществ, явлений, процессов. Так, при изучении темы “Соли азотной кислоты” в 9-ом классе использую элементы исследовательской работы. Исследование включает: проведение теоретического анализа; прогнозирование способов получения веществ и их свойств; составление плана экспериментальной проверки и его выполнение; формулирование вывода. Получается логическая цепочка: теоретический анализ – прогнозирование – эксперимент. Майкл Фарадей говорил: “Ни одна наука не нуждается в эксперименте в такой степени как химия. Ее основные законы, теории и выводы опираются на факты. Поэтому постоянный контроль опытом необходим.” Для систематизации получаемых знаний учащиеся заполняют таблицу:

Соли азотной кислоты

Исследовательская работа учащихся занимает на уроке больше времени, чем выполнение заданий по образцу. Однако затраты времени впоследствии компенсируются тем, что учащиеся быстро и правильно выполняют задания, могут самостоятельно изучать новый материал. Кроме того, повышается осознанность и прочность их знаний, появляется устойчивый интерес к предмету.

4. Технология игрового обучения

Интеллектуально-творческие игры (ИТИ) стимулируют развитие познавательных интересов учащихся, способствуют развитию их интеллектуально-творческих способностей, дают возможность ребятам самоутвердиться и реализовать себя в интеллектуально-творческой сфере через игру, помогают восполнить дефицит общения. ИТИ могут быть использованы не только во внеклассной и внеурочной работе, но и на уроках (при изучении нового материала, повторении пройденного, контроля знаний учащихся и т. д.)

Наиболее сложны и трудоемки деловые и ролевые игры. Проведение подобных игр позволяет достигать следующих целей: научить учащихся выделять главное в содержании учебного материала, излагать его в краткой форме; развивать навыки анализа текста, ассоциативное мышление, самостоятельность суждений, способствовать самоопределению учащихся, развивать коммуникативные способности, расширить кругозор, повторять и обобщать изученный материал. В своей практике я систематически использую игровые формы организации контроля знаний и постоянно замечаю, как это повышает интерес учащихся к изучаемому материалу и предмету в целом, как учащиеся, которые в последнее время так мало читают, вдруг начинают листать книги, справочники, энциклопедии. Так на уроках, при изучении тем, связанных с экологией, например по теме “Природные источники углеводородов и их переработка”, применяю ролевые игры с применением экспертных групп. Класс разбивается на две группы: “специалистов” и “журналистов”. Первые подбирают материал и подготавливают наглядное пособие. Вторые готовят вопросы, которые они должны задавать во время игры.

Для закрепления материалов в 8 – 9 классах использую дидактические игры: “Химические кубики”, “Химическое лото”, “Крестики-нолики”, “Найди ошибку”, “Химический бой”. Так же на внеклассных занятиях провожу зрелищные интеллектуально-творческие игры: “КВН”, “Что, где, когда”, “Звездный час”.

5. Использование тестов на уроках химии

Использование тестов на уроках химии также занимает видное место в процессе внедрения новых технологий. Что дает возможность массовой проверки знаний учащихся. Тестовая методика – универсальное средство проверки знаний, умений. Тесты являются экономной целенаправленной и индивидуальной формой контроля. Систематическая проверка знаний в виде тестов способствует прочному усвоению учебного предмета, воспитывает сознательное отношение к учебе, формирует аккуратность, трудолюбие, целеустремленность, активизирует внимание, развивает способность к анализу. При тестовом контроле обеспечиваются равные для всех обучаемых условия проверки, то есть повышается объективность проверки знаний. Этот метод вносит разнообразие в учебную работу, повышает интерес к предмету. Итоговые контрольные работы в 8 – 10 классах провожу в форме теста.

В условиях постоянного развития науки и промышленности химия и химическая технология предлагают миру постоянные инновации. Как правило, их суть заключается в совершенствовании методов переработки сырья в предметы потребления и/или средства производства. Происходит это благодаря целому ряду процессов.

Новые химические технологии позволяют:

вводить в хозяйственную деятельность новые виды сырья и материалов;
перерабатывать абсолютно все виды сырья;
заменять дорогостоящие компоненты более дешевыми аналогами;
комплексно использовать материалы: получать из одного вида сырья разные продукты и наоборот;
рационально расходов, вторичная переработка.

Можно сказать, что общая химическая технология, во многом перераспределяет и регулирует производственные процессы, что на сегодняшний день очень актуально в силу множества положительных факторов, имеющих значение для людей, связанных с промышленностью.

Классификация и описание подотраслей

Химические технологии можно классифицировать по типам веществ, с которыми ведется работа: органическими и неорганическими. Специфика работы зависит от поставленных задач и особенностей сферы, на которую ориентирован конечный продукт.

Химическая технология неорганических веществ - это например, производство кислот, соды, щелочей, силикатов, минеральных удобрений и солей. Все эти продукты широко используются в разных отраслях промышленности, в частности, металлургии, а также в сельском хозяйстве и др.

В фармацевтике и машиностроении часто используют каучуки, спирт, пластмассы, различные красители и т.д. Их производством занимаются предприятия, использующиетехнологии получения органических веществ. Многие из этих предприятий занимают серьезные позиции в отрасли и совей работой существенно влияют на экономику государства.

Абсолютно все процессы и аппараты химической технологии подразделяются на пять основных групп:

гидромеханические;
тепловые;
диффузионные;
химические;
механические.

В зависимости от особенностей организации, процессы химической технологии бывают непрерывные и периодические.

Современные задачи химической технологии

В связи с повышением интереса к экологической ситуации в мире возрос спрос на инновации, способные оптимизировать процессы производства, уменьшить объемы расходуемого сырья. Это касается также энергетических затрат. Данный вид ресурсов является очень ценным в рамках производства, потому за его расходованием необходимо следить и по возможности минимизировать. С этой целью сегодня активно разрабатываются и внедряются энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии. С их помощью производство рационализируют, предотвращая чрезмерные затраты расходных материалов разных категорий. Таким образом, уменьшается вредное воздействие технологий химического производства и антропогенных факторов на природу.

Химическая технология в промышленности на сегодняшний день стала неотъемлемой частью процессов изготовления конечного продукта. Сложно оспорить тот факт, что именно эта сфера человеческой деятельности оказывает наиболее пагубное влияние на состояние планеты в целом. Именно поэтому ученые делают все возможное для предотвращения экологической катастрофы, хотя темпы популяризации и внедрения таких разработок все еще недостаточны.

Применение современных химических технологий способствует улучшению состояния природы, минимизируя объемы используемых в производстве материалов, обеспечивая замену токсичных веществ более безопасными и внедрение в производство новых соединений и т.д. В задачей является восстановление ущерба, нанесенного окружающей среде: истощение ресурсов планеты, загрязнение атмосферы. На протяжении последних лет особенно активно проводятся различные исследования в сфере экологии и рационализации влияния производств на окружающую среду. Обязательный характер приобретает совмещение эффективной деятельности предприятия с безопасностью и нетоксичностью конечных продуктов.

Теоретические основы химической технологии

По мере развития смежных отраслей, подвергаются постоянной модернизации и обновлению основные процессы и аппараты химической технологии, глубже изучаются основные аспекты производства, принципы их работы и эксплуатация машин, используемых для выполнения операций. Базу таких дисциплин составляют теоретические основы химической технологии.

В государствах, признанных мировыми лидерами, обучение студентов на технических специальностях именно в этом направлении считается наиболее важным. Причиной тому, во-первых, определяющая роль процессного инжиниринга в деятельности химической промышленности. А во-вторых, растущее значение данной дисциплины на межотраслевом уровне.

Несмотря на существенные отличия между разными отраслями промышленности, в их основе лежат одни и те же принципы, вписываются различные физические закономерности, химические процессы, тесно взаимосвязанные с современными инженерными отраслями, в том числе материаловедением. Химические технологии за последние годы глубоко проникли даже в те сферы, где допустить их присутствие никому не приходит в голову. Таким образом, на современных рынках все чаще заходит речь о роли процессного инжиниринга в более глобальном смысле, нежели в рамках операций одной отрасли.

Основы химической технологии в отечественном образовании

Успешное развитие той или иной отрасли невозможно при отсутствии качественных учебных заведений, выпускающих квалифицированных специалистов. Поскольку химическая промышленность является важной составляющей экономики страны, требуется создать все необходимые условия для подготовки ценных кадров в этой сфере. На сегодняшний день основы химической технологии являются частью обязательной программы по смежным специальностям во многих высших учебных заведениях по всему миру.

К сожалению, принципы обучения техническим направлениям в России и некоторых странах СНГ кардинально отличаются от методик, принятых в европейских странах и Америке. Это, как правило, негативно сказывается на качестве высшего образования. Например, основные акценты все еще делаются на узких химико-технологических специальностях, а также много внимания уделяется конструкторско-эксплуатационным отраслям механики. Столь узкопрофильные характеристики высшего образования стали основной причиной отставания отечественных производств от зарубежных по таким критериям, как качество продукции, ресурсоемкость, экологичность и т.д.

Основная ошибка состояла в недооцененности процессного инжиниринга как системообразующей и всесторонне применимой дисциплины, и на данный момент основная задача отечественной промышленности - уделять намного больше внимания ее освоению и развитию. На сегодняшний день вопросы подготовки квалифицированных кадров, а также налаживания и оптимизации производства - наиболее насущные проблемы на территории СНГ и РФ в частности.

Древесина

Один из видов сырья текстильной промышленности – целлюлоза, вырабатываемая из древесины. Но все же значительная масса древесины идет на изготовление разнообразных пиломатериалов для строительной и мебельной промышленности. Производство целлюлозы для бумажной промышленности составляет 80% и синтетических волокон – 20%.

В мебельной промышленности широко применяются древесностружечные и древесноволокнистые плиты, изготовление которых базируется на органических связующих веществах. Современные химические технологии при производстве древесноволокнистых плит и целлюлозы позволяют использовать любой древесный материал, даже тот, который раньше считался не пригодным для обработки.

Древесина в отличие от ископаемого горючего сырья сравнительно быстро восстанавливается. В этой связи, а также в силу того, что цены на ископаемое органическое сырье будут расти, следует ожидать, что основная доля производства пластмасс, эластомеров и синтетических волокон будет реализована при переработке древесины в промежуточное химическое сырье – этилен, бутадиен и фенол. А это означает, что древесина станет не только строительным материалом и сырьем для производства бумаги, но и важным химическим сырьем для получения искусственных веществ: фурфурола, фенола, текстиля, топлива, сахара, белков, витаминов и других ценных продуктов. Например, из 100 кг древесины можно изготовить примерно 20 л спирта, 22 кг кормовых дрожжей или 12 кг этилена.

Древесина – не единственный вид органического сырья. Другие разновидности биомассы: солома, камыш и т. п. – посредством химических технологий могут превращаться в такие же ценные продукты, что и те, которые производятся из древесины.

Микробиологи обнаружили, что грибы, вызывающие белую гниль древесины, могут приносить пользу. Их способность видоизменять некоторые компоненты древесины положена в основу новой технологии изготовления стройматериалов: после обработки грибом опилки, стружки и другие отходы склеиваются в монолитную массу. Так получают экологически чистые древесные плиты.

Одна из важнейших областей использования древесины – целлюлозно-бумажная промышленность. Мировое производство целлюлозы в середине 70-х годов достигло 100 млн. т в год. В настоящее время из древесины изготавливается основная масса различных видов бумаги и картона. Технология их изготовления сравнительно проста. Вначале кусочки древесины величиной со спичечную коробку превращают в волокнистую древесную массу. Затем после формования и прессования такой массы с добавленными в нее клеем, наполнителями и пигментными красителями осуществляется процесс сушки. Такая относительно несложная технология применяется давно, но все же отличается от той, на основании которой еще в 105 г. пекинский придворный Цай Лунь впервые изготовил бумагу из волокон конопли, льна и тряпок.

Какие же изменения наметились в технологии производства бумаги в последние десятилетия? Изменения прежде всего связаны с появлением заменителя бумаги – синтетического материала. При синтезе природных и искусственных материалов значительно улучшается качество бумаги. Например, введение пластмасс в волокнистую массу повышает прочность, эластичность бумаги, ее устойчивость к деформации и т. д.

Бумага из пластмассы особенно хороша для высококачественного печатания географических карт, репродукций и т. п. Доля производимой пластмассовой бумаги сравнительно невелика.

С развитием электронно-вычислительной техники и массового производства персональных компьютеров бумага перестает быть основным носителем информации. Однако все же возрастание объемов печатной продукции (книг, газет, журналов и т. п.), а также рост производства промышленной продукции, нуждающейся в упаковочных материалах, неизбежно приводит к ежегодному приросту производства бумаги примерно на 5%. А это означает, что потребность в древесине – важнейшем природном сырье – постоянно возрастает.

Еще в V тысячелетии до н. э. в древнем Египте выплавлялись первые стеклоподобные материалы. Стеклянная посуда в том виде, как она представляется нам сегодня, изготавливалась в XV в. до н. э. Однако вместе с тем стекло долгое время не находило широкого применения, поскольку ни броню, ни каску, ни даже ручную дубинку из столь хрупкого материала изготовить нельзя.

Первые гипотезы о структуре стекла появились в 20–30-е годы XX в., хотя с древних времен выплавлялись стекла более 800 различных составов, из которых производилось около 43 тыс. разновидностей изделий. Как и прежде, стекло обладает одним существенным недостатком – хрупкостью. Создать стекло нехрупким – одна из труднейших задач даже с учетом современных технологий.

Стекло состоит преимущественно из силикатной массы (до 75% SiO 2). Результаты электронно-микроскопических исследований структуры стекла показали, что при охлаждении расплава стекла возникают каплеобразные области, отличающиеся от окружающей их массы расплава химическим составом и стойкостью к химическим воздействиям. Размеры таких областей от 2 до 60 нм. Изменяя величину, число и состав данных областей, можно изготовить стеклянную посуду с очень высокой химической стойкостью. При разделении каплеобразных областей происходит кристаллизация – образуются кристаллы (размером около 1 мкм) со структурой стеклокерамического вещества – ситалла. Таким образом можно изготовить прозрачный или похожий на фарфор материал, коэффициент теплового расширения которого варьируется в таких широких пределах, что его можно прочно соединять с многими металлами. Некоторые стеклокерамические материалы выдерживают высокотемпературный перепад, т.е. не растрескиваются при резком охлаждении от 1000° С до комнатной температуры.

В начале 70-х годов разработана новая разновидность ситалла, который можно обрабатывать, как обычный металл, т. е. его можно обтачивать, фрезеровать, сверлить, а на деталях из него можно даже наносить винтовую резьбу. Область применения ситаллов – автомобилестроение, электротехника, химическое машиностроение, домашнее хозяйство.

Стекло, охлажденное при обычной температуре, имеет прочность на изгиб около 50 Н/мм 2 , а термически закаленное стекло – примерно 140 Н/мм 2 . При дополнительной химической обработке получается сверхпрочное стекло с прочностью на изгиб от 700 до 2000 Н/мм 2 . Химическая обработка заключается в том, что на поверхности стекла небольшие по размеру ионы натрия путем ионного обмена заменяются более крупными ионами калия. Химически упрочненное стекло не разбивается даже при сильном ударе и поддается механической обработке в отличие от термически закаленного стекла.

Высокой прочностью обладают композиционные материалы, включающие химически обработанные стекла со слоями пластика. Такой материал в некоторых конструкциях может заменить металл. Бронестекло толщиной 20–40 мм, состоящее из нескольких склеенных искусственной смолой стекол, не пробивается пулей при выстреле из пистолета.

Иногда для облицовки зданий применяются цветные стекла, та или иная окраска которого достигается введением оксидов металлов. Цветные стекла поглощают инфракрасное излучение. Таким же свойством обладают стекла с напыленным на их поверхность тонким слоем металла или сплава. Данные стекла способствуют поддержанию нормального микроклимата в помещении: летом они задерживают лучи палящего солнца, а зимой сохраняют тепло.

Широко применяются стекловолокнистые материалы. Ими можно армировать, отделывать, склеивать, декорировать, изолировать, фильтровать и т. п. Объем их выпуска огромен – в 1980г. он составлял около 1 млн т/год. Стеклонити для текстильной промышленности имеют диаметр около 7 мкм (из 10 г стекла можно вытянуть нить длинной 160 км). Стеклонить обладает прочностью до 40 Н/мм 2 , что гораздо прочнее стальной нити. Ткань из стекловолокна не смачивается и устойчива к деформации, на нее можно наносить разноцветные рисунки.

Применение стекловолокна в качестве светопровода породило новую отрасль естествознания – волоконную оптику. Стекловолокна – весьма перспективные средства передачи информации.

Хорошо известны изоляционные свойства стекла. Однако в последнее время все чаще говорят о полупроводниковых стеклах, которые изготавливаются методом тонкопленочной технологии. Такие стекла содержат оксиды металлов, что и обеспечивает им необычные, полупроводниковые свойства.

С помощью низкоплавкой эмали из стекла (570 °С) удалось изготовить надежное покрытие для алюминия. Покрытый эмалью алюминий обладает комплексом ценных свойств: высокой коррозионной стойкостью, эластичностью, ударопрочностью и др. Эмали можно придать различные цвета. Такой материал выдерживает агрессивную промышленную атмосферу, не подвергается старению.

Область применения стеклопродукции постоянно расширяется, а это означает, что уже сегодня стекло становится универсальным материалом. Современное стекло – традиционный материал, обладающий новыми свойствами.

Силикатные и керамические материалы

Постоянно развивающаяся строительная индустрия потребляет все большее количество строительных материалов. Свыше 90% из них – силикатные материалы, среди которых лидирует бетон. Его производство в мире превышает 3 млрд. т/год. На бетон приходится 70% общего объема всех строительных материалов. Самая важная и самая дорогая составляющая бетона – цемент. Его мировое производство с 1950 по 1980гг. увеличилось почти в 7 раз и в 1980 г. достигло почти 1 млрд. т.

Прочность на сжатие обычного бетона составляет 5–60 Н/мм 2 , а для лабораторных образцов превышает 100 Н/мм 2 . Высокопрочный бетон получается в результате термической активации цементного сырья при 150° С. Высоким требованиям отвечает полимербетон, но он пока еще дорог. Освоено производство и огнеупорного бетона, выдерживающего температуру до 1800°С. Процесс затвердевания обычного бетона составляет не менее 60–70% общего производственного времени. К сожалению, действенный и легко доступный ускоритель схватывания – хлорид кальция – вызывает коррозию железной арматуры, поэтому производится поиск новых дешевых ускорителей затвердевания. Иногда применяются ингибиторы схватывания бетона.

Находит применение силикатный бетон, состоящий из смеси извести и кварцевого песка, или золы угольных фильтров. Прочность силикатного бетона может достигать от 15 до 350 Н/мм 2 , т. е. превышать прочность бетона на основе цемента.

Представляет интерес бетон с полимерной структурой. Он легок, в него можно забивать гвозди. Полимерная структура создается введением алюминиевого порошка в качестве расширительной добавки.

Разрабатываются различные сорта легкого бетона из цемента и полимеров небольшой плотности. Такой бетон отличается высокими теплоизоляционными свойствами и прочностью, малым влагопоглащением и легко поддается обработке различными способами.

При введении асбеста в цементный раствор получается асбобетон – широко распространенный строительный материал, весьма стойкий к изменениям погодных условий.

Широкое применение находят керамические материалы. Из керамики производят более 60 тыс. различных изделий – от миниатюрных ферритовых сердечников до гигантских изоляторов для высоковольтных установок. Обычные керамические материалы (фарфор, фаянс, каменная керамика) получают при высокой температуре из смеси каолина (или глины), кварца и полевого шпата. Из керамики изготавливаются крупноформатные блоки, пористый и пустотелый кирпич, а для специальных целей (например, для дымовых труб) – закаленный кирпич.

В последние десятилетия к керамике стали относить и бессиликатные композиционные материалы из различных оксидов, карбидов, силицидов, боридов и нитридов. Такие материалы сочетают в себе высокие термическую и коррозийную стойкость и прочность. Некоторые композиционные материалы начинают разрушаться только при температуре выше 1600° С.

Высокопрочностные материалы, в которых (в результате прессования порошка при 1700° С) до 65% Аl 2 О 3 внедряется в кристаллическую решетку Si 3 N 4 , выдерживают температуру выше 1200° С. В сосудах из такого материала можно плавить медь, алюминий и другие металлы. Из комбинации кремний–алюминий–азот–кислород можно получить многообразные керамические материалы, обладающие высокими техническими качествами.

Металлокерамические композиционные материалы имеют высокую твердость и чрезвычайно высокую термостойкость. Из них изготавливаются камеры сгорания для космических ракет и детали для металлорежущих инструментов. Такие материалы производятся методом порошковой металлургии из металлов (железа, хрома, ванадия, молибдена и др.) и оксидов металлов (преимущественно Аl 2 О 3 ), карбидов, боридов, нитридов или силицидов. В металлокерамике сочетаются качества керамики и металлов.

Сравнительно недавно – в начале 90-х годов – синтезирован керамический материал на основе оксидов меди, обладающий удивительным свойством – высокотемпературной сверхпроводимостью. Такой материал переходит в сверхпроводящее состояние при 170 К.

Вне всякого сомнения, в результате исследования структуры и свойств новых керамических материалов будут найдены способы синтеза композитов с раньше неизвестными свойствами.

Средства сохранения материалов

Важно не только получить высококачественный материал, но и сохранить его. Воздействие окружающей среды ухудшает качество материала: происходит его преждевременное старение, разрушение и т. п. К существенному разрушению металлов, особенно нецветных, приводит их коррозия, при длительном воздействии влаги древесина подвергается гниению и т. д. Поэтому для сохранения качества материалов и изготовленных из них изделий применяются различные средства защиты.

Принято считать, что человек научился изготавливать металлические изделия более 4500 лет назад, и с тех пор он борется с коррозией. По некоторым оценкам, ежегодные потери железа в результате коррозии составляют почти 15% мировой продукции стали, а это означает, что примерно каждая седьмая домна на земном шаре работает впустую.

Самая распространенная мера защиты от коррозии – окраска, т. е. нанесение защитного слоя масляной или синтетической краски. Слой краски защищает изделия из древесины от гниения. Широко применяются краски на основе алкидных смол.

Обычное покрытие кажется эффективным, когда краска наносится на чистую поверхность. Однако процесс очистки поверхности – трудоемкая операция, поэтому проводится поиск защитных покрытий для нанесения на поврежденную коррозией поверхность без предварительной ее очистки. Одно из таких покрытий уже синтезировано в виде краски, содержащей цианамид цинка, при реагировании которого с ржавчиной образуется цианамид железа, надежно защищающий поверхность от коррозии.

Для приготовления красок и лаков широко применяются органические растворители и разбавители. После нанесения краски органические вещества испаряются, загрязняя атмосферу. Такого недостатка лишены жидкие лаки без растворителей, а также краски, разбавленные водой. Весьма эффективно порошкообразное покрытие электростатическим способом, при котором в качестве связующих веществ применяются термопласты и «сшитые полимеры» (эпоксидные смолы, поливинилацетат, полиолефины). С помощью полиэфиров и высокомолекулярных полиамодов можно получить цветные или прозрачные слои толщиной около 0,02 мм, прочно сцепляемые с окрашиваемой поверхностью.

Представляют практический интерес электропроводящие краски, необходимые для изготовления печатных схем, антенн и т. п.

Антикоррозийными свойствами обладают нержавеющие стали, содержащие дорогостоящие металлы хром или никель. Гораздо дешевле напыление на обычную сталь слоя алюминия или хрома небольшой толщины– менее 0,001 мкм.

Один из перспективных способов защиты от коррозии – формирование слоя своеобразной ржавчины, предохраняющего металл от дальнейшего разрушения. Обычная ржавчина, состоящая из рыхлого слоя оксида железа, способствует дальнейшему разрушению материала. Защитный слой ржавчины образуется на поверхности деталей из стали, содержащей, например, 0,7–0,15% фосфора, 0,25–0,55% меди, 0,5–1,25% хрома и 0,65% никеля. К настоящему времени уже разработаны десятки разновидностей таких сталей, обладающих удивительным свойством самозащиты. Их можно формовать и сваривать, а стоимость их на 10– 30% выше обычных сталей. Из них можно изготавливать вагоны, цистерны, трубопроводы, строительные конструкции и многое другое, что требует устойчивости к атмосферным воздействиям.

Замена материалов

На смену старым материалам приходят новые. Это происходит обычно в двух случаях: когда возникает дефицит старого материала и когда новый материал более эффективен. Материал-заместитель должен обладать лучшими свойствами. Например, к материалам-заменителям можно отнести пластмассы, хотя считать их определенно новыми материалами вряд ли возможно. Пластмассы могут заменить металл, дерево, кожу и другие материалы. Более 1/3 мирового потребления пластмасс приходится на промышленность. Тем не менее, по некоторым оценкам, только 8–15% стали заменяется пластмассами (преимущественно при изготовлении трубопроводов), бетоном и другими материалами. Сталь обладает вполне приемлемым соотношением между стоимостью и прочностью, возможностью варьирования свойств и способов обработки – все эти качества сдерживают быстрое и массовое ее вытеснение пластмассами и другими материалами.

Не менее сложной является проблема замены цветных металлов. Во многих странах идут по пути экономного, рационального их потребления.

Преимущества пластмасс для многих сфер применений вполне очевидны: 1 т пластмасс в машиностроении экономит 5–6 т металлов. На изготовление пластмассовых изделий требуется всего 12–33% рабочего времени, необходимого для изготовления тех же изделий из металла. В производстве, например, пластмассовых винтов, зубчатых колес и др. сокращается число операций обработки и повышается производительность труда на 300–1000%. При обработке металлов материал используется на 70%, а при изготовлении изделий из пластмасс – на 90–95%.

Замена другого широко применяемого материала – древесины – началось еще в первой половине XX в. Прежде всего появилась фанера, а позднее – древесноволокнистые и древесностружечные плиты. В последние десятилетия древесина стала вытесняться алюминием и пластмассами. В качестве примеров можно назвать игрушки, предметы быта, лодки, строительные конструкции и т. п. В то же время наблюдается тенденция увеличения потребительского спроса на товары, изготовленные из древесины.

В дальнейшем пластмассы будут заменяться композиционными материалами, разработке которых уделяется большое внимание.