Резюме Синтезът на вещества е в основата на съвременните технологии
оригинална работа
Откъс от работа
Плазмохимичните процеси протичат в слабо йонизирана или нискотемпературна плазма при температури от 1000 до 100 000C. Йонизираните и нейонизираните плазмени частици, които са във възбудено състояние, в резултат на това лесно влизат в химическа реакция. В този случай скоростта на преразпределение на химичните връзки между реагиращите частици е много висока: продължителността на елементарните актове на химичните трансформации е не повече от 10–13 s с лека обратимост на реакцията. Следователно плазмохимичните процеси са високопроизводителни. Например, производителността на метанов плазменохимичен реактор на плазмена горелка с относително малки размери (65 cm дължина и 15 cm в диаметър) е 75 тона ацетилен на ден. По отношение на производителността, той не е по-нисък от огромно растение. В него при температура 3000 - 3500 ° C за 0,0001 s около 80% от метана се превръща в ацетилен. Коефициентът на полезно потребление на енергия е 90 95%, а потреблението на енергия е по-малко от 3 kWh на 1 kg ацетилен. В същото време в традиционен парен реактор за пиролиза на метан разходите за енергия са два пъти по-високи.
Наскоро беше разработен ефективен метод за свързване на атмосферния азот чрез плазмено-химичен синтез на азотен оксид, който е много по-икономичен от традиционния метод с амоняк. Създадена е плазмохимична технология за производство на фини прахове от основната суровина за праховата металургия. Разработени са плазмохимични методи за синтез на карбиди, нитриди, карбонитриди на такива метали като титан, цирконий, ванадий, ниобий и молибден с относително ниска консумация на енергия от 12 kWh на 1 kg готов продукт.
През 70-те години. 20-ти век създаде плазмено-химични пещи за топене на стомана, които произвеждат висококачествениметал. Йонно-плазмената обработка на работната повърхност на инструментите може да увеличи тяхната устойчивост на износване няколко пъти. В резултат на такава обработка е възможно да се образува например порест релеф върху равна повърхност. Йонно-плазменото пръскане във вакуум се използва широко за формиране на елементи на съвременни интегрални схеми.
Плазменото пръскане може да се използва за нанасяне на поресто покритие със сложна микроструктура, което насърчава сливането на ендопротезата с костната тъкан. Използвайки порести покрития, е възможно да се увеличи ефективността на катализатора, да се увеличи коефициентът на топлопреминаване
Плазмената химия дава възможност да се синтезира металобетон, в който като свързващи материали се използват стомана, чугун и алуминий. Металният бетон се образува чрез сливане на скални частици с метал и превъзхожда обикновения бетон по якост: 10 пъти на натиск и 100 пъти на опън. У нас е разработен плазмохимичен метод за превръщане на въглища в течно гориво без използване на високо налягане и отделяне на пепел и сяра. В допълнение към основния химичен продукт на синтезния газ, извлечен от органични съединения на въглища или кафяви въглища, този метод позволява да се получат ценни съединения от неорганични включвания на въглища: технически силиций, карбосилиций, феросилиций, адсорбенти за пречистване на вода, които се отделят под формата на отпадъци от пепел при други методи за преработка на въглища.
4. САМОРАЗПРОСТРАНЯВАЩ се ВИСОКОТЕМПЕРАТУРЕН СИНТЕЗ
За производството на много огнеупорни и керамични материали се използва технологията на праховата металургия, която включва операциите на пресоване при високо налягане и синтероване на получения детайл при относително висока температура от 1200-2000 °C. Тази технология обаче е доста енергоемка: създаването на високи температури и налягане изискваголеми разходи за енергия. Много по-проста и по-икономична е сравнително наскоро предложената технология за саморазпространяващ се високотемпературен синтез
Понастоящем практически всички известни високотемпературни свръхпроводници на базата на итрий, други редкоземни метали, бисмут и талий са синтезирани в ISMAN по метода SHS. Механизмът и закономерностите на SHS са изследвани най-подробно на примера за получаване на итриево-бариева керамика със състав Y123 чрез реакцията:
3Сu + 2ВаО2 + ½Y2O3 + (1,5-x) / 2 О2 = YВа2Сu3O7-x + Q
Тази реакция се превърна в удобен модел за изследване на закономерностите и механизма на SHS HTSC. Най-простата информация може да бъде получена чрез анализиране на термограмата на процеса SHS, която отразява температурния профил на вълната на синтез.
Получената информация за механизма на взаимодействие между компонентите показва, че образуването на HTSCs в SHS е сложен процес. Основното топлоотделяне, което осигурява разпространението на вълната на синтеза и образуването на фаза (структура) на крайния целеви продукт, се извършва неедновременно в пространствено разделени зони /28, 'westud.ru'/.
Тази важна характеристика на SHS Y123 разширява възможностите на метода за контрол на свойствата на крайния продукт при различни въздействия върху по-дълъг етап от вторичните процеси. В същото време наличието на този етап води до ефекти на саморегулиране на състава и структурата на крайния продукт и слабата им зависимост от параметрите на горене.
Вече SHS-технология. прахове Y123 е получил практическа употреба. Праховете Y123 са се доказали добре за получаване на: продукти (мишени за плазмено пръскане) чрез синтероване; сложни композити като полимер-HTSC; продукти (мишени и екрани) по метода на експлозивно уплътняване SHS прахове и продукти от тях отговарят на нивото на най-добритеместни и чуждестранни проби. Очевидно не само HTSC на базата на итрий и други редкоземни метали, но и други могат да бъдат получени по метода SHS с подходящ избор на състава на заряда и условията на синтез.
Саморазпространяващият се високотемпературен синтез не изисква трудоемки процеси и тромави пещи и се характеризира с висока технологичност. Лесно се автоматизира. Индустриално предприятие, произвеждащо продукти с голям тонаж, може да се управлява само от един оператор.
За SHS процесите химическата природа на реагентите не е от непосредствено значение - важни са само величината на топлинния ефект на реакцията и законите за отделяне на топлина и топлообмен, състоянието на агрегация на реагентите и продуктите, кинетиката на фазовите и структурни трансформации и други макроскопични характеристики на процеса.
Следователно химията на SHS процесите е разнообразна. Най-разпространеният
- реакции на синтез от елементи
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
— реакции на окисляване на метали в сложни оксидни среди
3Cu + 2BaO2 + ½Y2O3 + 0,5(1,5 - x) O2 = YBa2Cu3O7-x
Nb + Li2O2 + ½Ni2O5 = 2LiNbO3
8Fe + SrO + 2Fe2O3 + 6O2 = SrFe12O19
Известни са и SHS реакции
- синтез от съединения
PbO + WO3 = PbWO4
— взаимодействия на разлагащи се съединения с елементи
2TiH2 + N2 = 2TiN + 2H2
4Al + NaN3 + NH4Cl = 4AlN + NaCl + 2H2
— термично разлагане на комплексни съединения
2BH3N2H4 = 2BN + N2 + 7H2
Съдържание
1. Синтез на химикали 4
1.1. Управление на химикалипроцеси 4
1.2. Синтез на органични и неорганични съединения 7
2. Общи тенденции в развитието на съвременната химия 10
3. Плазмохимия 12
4. Саморазпространяващ се високотемпературен синтез 14
5. Химични реакции при високо налягане 17
6. Процеси за производство на твърди вещества, включващи 18
газова фаза реакции 18
6.1. Синтез на диаманти 19
В тази статия се разглеждат основните тенденции в развитието на съвременната химия, нейните приоритетни области в края на ХХ и началото на ХХI век. Работата се състои от няколко подраздела, където по-подробно се анализират някои аспекти от развитието на химията през двадесет и първи век; по-специално тази част съдържа подраздели като плазмена химия, синтез на твърди вещества. Дадени са и областите на приложение на тези нови направления.
Актуалността на темата се състои в това, че синтезът на нови химични съединения и разработването на нови методи за синтез е важен проблем в химията, който представлява голям интерес за физиката, биологията, геологията, медицината, както и различни технически науки. Към днешна дата броят на химичните съединения, информация за които може да се намери в научната литература, надхвърли 10 милиона Синтезите на нови съединения и търсенето на нови методи за синтез продължават.
Целта на тази работа е да покаже необходимостта от синтез на вещества за съвременните технологии.
1. СИНТЕЗ НА ХИМИКАЛИ
Контрол на химически процеси
Съвременната теория на химичните процеси включва фундаментални знания от много клонове на естествените науки и преди всичко физиката, химията, биологията и др. Стремежът на учените да създадат лаборатории на жив организъм, където да е възможно да се възпроизвеждат химични процеси в биологични системи, свидетелства занеобходимостта от органична връзка между различните природни науки.
Нашият сънародник, носител на Нобелова награда за химия през 1956 г., изключителен химик (18 961 986), създал общата теория на верижните реакции и основател на химическата физика, се е смятал за физик. Той вярваше, че химическият процес не може да се разглежда без изкачване от такива прости обекти на познание като електрон, нуклон, атом и молекула до жива биологична система, тъй като всяка клетка на всеки организъм е по същество сложен химически реактор. В тази връзка всеки химичен процес е преходен мост между физическите и биохимичните обекти.
Едно от най-важните направления в изучаването на свойствата на материята е създаването на методи за управление на химичните процеси. Успехите в развитието на съвременната химия до голяма степен се определят от ефективността на контрола на химичните трансформации, която се подобрява чрез въвеждането на нови експериментални методи с помощта на съвременни технически средства за наблюдение и анализ на сложни молекулни структури. Химическата трансформация започва със смесването на реагентите и завършва с образуването на крайни продукти. В повечето случаи той включва редица междинни етапи и за пълното разбиране на механизма на реакцията е необходима информация за свойствата на междинните продукти, образувани на всеки етап, който по правило протича много бързо. Ако преди 20–30 години техническите средства на експеримента позволиха да се проследят междинни молекули с продължителност на живота около една милионна от секундата, тогава съвременните източници на лазерно лъчение значително разшириха времевия диапазон на изследване от 10–6 до 10–15 s.
Когато две химични съединения взаимодействат, образуването на реакционни продукти се определя от статистическа вероятност, която зависи отначално енергийно състояние, възбуждане и взаимна ориентация на молекулите при сблъсъци, в които участват молекули на реагиращи съединения. Съвременната вакуумна технология открива нови възможности за взаимодействие на реагиращи съединения при сблъсък на молекули. Във висок вакуум, където средният свободен път на молекулите е дълъг, сблъсъкът на молекулите може да се случи в относително малък обем, който представлява зоната на припокриване на два молекулни лъча от реагиращи съединения, в която вероятността за участие на всяка молекула в не повече от един сблъсък, водещ до реакция, се увеличава. Това означава, че има реална възможност за изучаване на фини процеси и контрол на химичните трансформации.
Определянето на характеристиките на атомните и молекулните частици (тяхната структура и състав) в аналитичната химия се нарича качествен анализ, а измерването на тяхното относително съдържание се нарича количествен анализ. Новите методи за качествен и количествен анализ се основават на най-новите постижения на различни клонове на естествените науки и на първо място на физиката. Методите на аналитичната химия се използват широко в различни клонове на химията, в медицината, селското стопанство, геологията и екологията.
За количествен анализ изследваните сложни смеси и съединения се разделят на компоненти. За това се използва универсален хроматографски метод. Същността му се състои в това, че различните вещества в течна или газообразна фаза имат различна сила на връзка с повърхността, с която са в контакт. С помощта на хроматографията е възможно да се отдели и фиксира изключително малко количество вещество в смес от около 10
12 г. В допълнение, хроматографията дава възможност за разделяне на многокомпонентни газови смеси, съдържащи вещества с различен изотопен състав.
За анализиране и идентифициране на структурата на сложни молекули, които комбинират голям брой атоми с различни взаимни връзки, широко се използват експериментални методи, базирани на физическите принципи на ядрено-магнитен резонанс, оптична спектроскопия, масспектроскопия, рентгенов дифракционен анализ и неутронна дифракция.
При контрола на химичните процеси важна роля играят предварителните изчисления, които позволяват да се определят свойствата на синтезираните молекули. Още през първата половина на 20 век. С развитието на квантовата теория стана възможно да се изчисли взаимодействието на електрони и атомни ядра в химичните реакции. На практика обаче такива изчисления остават непостижими дълго време: уравненията на квантовата механика за сложни обекти от молекули и дори атоми с много движещи се електрони са твърде сложни. Решаването на такъв проблем стана възможно, като се вземе предвид електронната плътност, а не движението на отделните електрони в молекула или атом. Този подход дава възможност да се изчислят свойствата и структурата дори на много сложни молекули, като протеиновите. За решаването на този проблем на квантовата химия австрийският физик Валтер Кон и английският математик и физик Джон Попл (и двамата учени работят в САЩ) са удостоени с Нобелова награда за химия през 1998 г.
Библиография
Карпенков на съвременното естествознание. - М .: Академичен проект, 2002. 368s.
2. Pimentel J., Kunrod J. Възможностите на химията днес и утре. М.: Мир, 1992, 288 с.
3. Свиридов днес и утре. Минск: University Press, 1987. 128 с.
4. , , Василевская синтеза. Минск: Университетско издателство, 1996. 166 с.
5. За тенденциите в развитието на съвременната органична химия Soros Educational Journal, 1996
6. . „Саморазпространяващ се високотемпературен синтез.Съвременни проблеми“. Физикохимия. М. "Химия", 1983 г