На сегодняшний день науке известно 110 химических элементов, но по удельному весу они распределены крайне неравномерно. Так, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: кислород (47%), кремний (27,5), алюминий (8,8), железо (4,6), кальций (3,6), натрий (2,6), калий (2,5), магний (2,1). Однако все эти элементы используются непропорционально. Например, железа содержится в Земле в два
раза меньше, чем алюминия. Однако для более 95% всех металлических изделий изготавливаются из железорудного сырья. Поэтому для современной химии важнейшей задачей является рациональное использование имеющихся ресурсов. Для этого нужно использовать химические элементы в производстве в соответствии с их реальными ресурсами в природе, заменить дефицитное сырье имеющимся в изобилии, утилизировать отходы и использовать вторичное сырье.
Сегодня на смену старым материалам приходят новые. Это связано с тем, что новые материалы более эффективны, чем старые. Кроме того, нужно искать заменители традиционным видам сырья. Поэтому исследования ученых направлены на изучение и использование силикатов, которые составляют 97% массы земной коры. Именно они должны стать основным сырьем для производства всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами.
Внимание химиков к металлам и керамике не случайно, именно они составляют на 90% современную материально-техническую базу производства. В мире ежегодно выплавляется около 600 млн. т металла — более 150 кг на каждого жителя планеты. Примерно столько же производится и керамики вместе с кирпичом. Но металлов не так много, кроме того, их изготовление обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем получение керамики. Разница в их стоимости до недавнего времени никого особенно не волновала, так как каждый материал имел свое строго определенное назначение. Однако благодаря развитию химии открывается все больше возможностей для замены металла керамикой. Очевидное преимущество керамики состоит в том, что ее плотность на 40% ниже, чем плотность металлов. Это позволяет соответственно снизить массу изготовляемых из керамики деталей. А используя в производстве керамики такие химические элементы, как цирконий, титан, бор, германий, хром, молибден, вольфрам и др., можно получать керамические изделия с заранее заданными свойствами.
Так, стекло долгое время использовалось лишь в качестве украшений, из него изготавливались бусины. Затем из стекла стали изготавливать посуду, оконные стекла и т.д. К XX в. научились уже выплавлять стекло более 800 разновидностей, из него делали около 43 тысяч различных изделий. Но стекло обладало серьезным недостатком — оно было хрупким, изделия из него легко бились и ломались. Поэтому важнейшей задачей ученых и инженеров в XX в. стало получение небьющегося стекла. Это стало возможным после того, как в 20—30-е гг. XX в. была выяснена его структура. После этого появилась возможность делать стекло не только небьющимся, но и жаропрочным, способным выдерживать перепады температур от 1000°С до комнатной температуры. Кроме того, было получено стек-
ло, которое можно обрабатывать, как обычный металл. А композиционные материалы, изготовленные из химически обработанного стекла со слоями пластика, обладают прочностью металла (бронестекло). Стекла с напыленным на них тонким слоем металла летом задерживают лучи палящего солнца, а зимой сохраняют тепло.
Производится огромное количество стекловолокнистых материалов, которые используются для армирования, отделки, склеивания, декорирования, изолирования и т.п. Кроме того, стекловолокно используется в качестве светопровода, по которому можно передать большое количество информации.
Если традиционное стекло является хорошим изолятором, то в последнее время появилось стекло с полупроводниковыми свойствами, которое изготавливается методом тонкопленочной технологии. Таким образом, область применения стекла постоянно расширяется, традиционный материал приобрел новые свойства.
Меняют в наши дни свои свойства и силикатные и керамические материалы, также давно известные человеку. 90% всех производимых в мире строительных материалов приходится на силикаты. К ним относятся давно известные человеку (со времен этрусков) бетон и цемент, а также современные материалы — высокопрочный полимер-бетон; огнеупорный бетон, выдерживающий температуру до 1800°С; легкий бетон, в который можно забивать гвозди; бетон с высокими теплоизолирующими свойствами; бетон с малым влагопоглощением.
Традиционная керамика — это фаянс, фарфор, каменная керамика, которую получают из смеси глины, кварца и полевого шпата, обработанной при высокой температуре. Из керамики изготавливаются кирпичи разных видов, изоляторы, а также различные виды посуды. В последнее время была получена керамика высокой термической и коррозионной стойкости и прочности. Некоторые керамические материалы начинают разрушаться только при температуре выше 1600°С. В сосудах из такой керамики можно плавить металлы, из нее можно делать камеры сгорания для космических ракет и детали для металлорежущих инструментов. А в начале 90-х гг. XX в. был синтезирован керамический материал на основе оксидов меди, обладающий свойством высокотемпературной сверхпроводимости — он переходит в сверхпроводящее состояние при 170 К.
В XX в. наряду с традиционными материалами появились новые — полимерные и синтетические. Они находят все большее применение, потеснив традиционные материалы.
На основе природных и синтетических полимеров получают пластмассы — материалы, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Области применения полимеров весьма разнообразны — от текстильной промышленности до микроэлектроники. Главное достоинство этих материалов — их дешевизна и легкость в переработке.
Кроме того, созданы пластмассы, способные заменить металлы, термостойкие пластмассы для авиационной и ракетной техники. Все больше пластмасс используется в строительстве — пластмассовые рамы, облицовочные материалы, кровля и т.д. Существуют проекты создания полностью пластмассовых автомобилей, т.е. доля пластмасс по сравнению с металлами становится все больше.
Настоящая революция произошла в текстильной промышленности, в которой увеличивается доля искусственных тканей и синтетических материалов. Более 50% современных волокон производится из материалов, синтезированных за последние полвека, — вискозы, полиамида, полиакрилонитрила и полиэфиров. Разработаны технологии химической обработки и отделки тканей из натуральных волокон — обработка шерсти для обеспечения устойчивости против моли, уменьшение усадки материала и придание ему несминаемости, обеспечение антистатических, антимикробных и гря-зеотталкивающих свойств.
В настоящее время химики работают над созданием нового поколения искусственных волокон со свойствами, максимально приближенными к естественным материалам. Уже созданы ткани, обладающие высокой степенью защиты от солнечных лучей. Производятся ткани, обладающие лучшими свойствами льна, хлопка, шерсти. Появились микроволокна с диаметром в десять раз тоньше волоса. Они позволяют ткать материалы мягкие, защищающие от сырости, но пропускающие при этом воздух к телу. Пустотелые волокна, также разработанные химиками, лучше противостоят холоду. Есть волокна с триклозаном — веществом, останавливающим размножение микробов. Одной из разновидностей синтетических тканей является кевлар — материал, который в пять раз прочнее на разрыв, чем сталь. Он идет на изготовление пуленепробиваемых жилетов, курток и т.д. Создание космических скафандров — также заслуга химиков. В ткань скафандра встроены миллионы микроскопических капсул с парафином, которые при нагревании плавятся и отбирают тепло у веществ, находящихся рядом, а при охлаждении отвердевают и выделяют тепло, согревающее космонавта.
Синтез уникальных материалов заставляет по-новому исследовать все химические элементы и накапливать данные для производства новых материалов.
