Реферат: Роль химии в создании сверхчистых материалов

Титан и магний, кальций и бериллий, и многие другие металлы часто получают с помощью электролиза, разлагая их расплавленные соли. Но для того, чтобы сделать эти соли жидкими, опять требуются высокие температуры.

Однако металлурги в ряде случаев умеют обходиться без такого сильного нагрева. Кроме пирометаллургии , существует гидрометаллургия . Тут металл также переводится в жидкость, но не огнем, а с помощью химического растворителя. Им могут оказаться и просто вода, и растворы кислот, щелочей, солей, и сложные органические жидкости.

Извлечь чистый металл из раствора его соединения сравнительно легко. В одних случаях пускают в ход электролиз . В других прибегают к обменным химическим реакциям . Вновь основная заслуга в очистке материала принадлежит химии.

Если опустить в жидкий медный купорос кусок железа, хотя бы старое бритвенное лезвие, на нем начнет осаждаться медь. В обмен в раствор уходят ионы железа. Тот же по существу процесс идет в заводских масштабах на многих предприятиях, получающих медь.

Особенно широко применяется гидрометаллургия при переработке комплексных руд. В нашей стране есть комбинаты, которые из одного месторождения добывают 8, 11, 14 химических элементов. А химики Германии на уникальном месторождении – Мандсфельдских нефтяных сланцах – получают даже сразу 25 элементов. Когда в каждом кубическом сантиметре руды есть, скажем, и марганец, и кобальт, и молибден, и еще добрый десяток ценнейших элементов, куда легче отделить металлы в целом от пустой породы, чем друг от друга. И вот рудный концентрат поочередно обрабатывается сильными реактивами. Стремятся к тому, чтобы в каждой жидкости растворились соединения только одного металла, выделить который уже не составляет большого труда.

Что касается гидропроцессов, используемых для очистки и получения чистых материалов, особый интерес представляют ионообменные процессы, осуществляемые с помощью ионообменных смол.

3. Ионный обмен

Когда говорят о чистоте воды, обычно подразумевают родниковую воду, озеро Байкал с его огромными запасами пресной воды.

Однако при ближайшем рассмотрении речь идет не столько о чистой воде, сколько о пресной и вкусной воде. Сверхчистая вода обычно образуется при дистилляции , но это, на мой взгляд, физический процесс, и его мы рассматривать не будем.

Сверхчистую по отдельным показателям воду можно получить и химическими методами воздействия. Раньше анализ воды подразумевал определение ее основности, жесткости, содержания хлоридов и кислорода. Сейчас в зависимости от государства в пресной воде определяют от примерно двух десятков (в Украине, России) до почти четырех десятков элементов (США, страны Западной Европы), но, по-прежнему, первостепенными показателями воды являются ее основность и жесткость.

Раньше жесткость воды в промышленных масштабах понижали очисткой ее от солей кальция и магния с помощью, например, олеата калия. Растворенные в воде соли жесткости при действии олеата калия превращаются в малорастворимые в воде магниевые и кальциевые соли олеиновой кислоты:

2C₁₇ H₃₃ COO + Ca = Ca (C₁₇ H₃₃ COO)₂

2C₁₇ H₃₃ COO + Mg = Mg (C₁₇ H₃₃ COO)₂

Сейчас такой процесс очистки воды считается анахронизмом. Более эффективная очистка воды достигается с использованием ионообменных смол.

Синтетических смол химиками создано великое множество. И, пожалуй, одними из самых удивительных среди них являются ионообменные смолы , или иониты. Эти смолы обладают редкой способностью: активно вступая в химическое взаимодействие с различными веществами, они быстро и тщательно очищают от них различные растворы. Применяются иониты, например, для очистки воды, поступающей в водопроводную сеть многих городов.

Пропуская через иониты морскую воду или другой раствор, их можно освободить от растворенных солей, то есть сделать то, что с помощью обычных фильтров сделать невозможно.

Синтетические иониты не растворяются ни в кислотах, ни в щелочах; через них можно фильтровать растворы, имеющие температуру около 100⁰ С. Они делятся на две основные группы. Иониты одной группы взаимодействуют с ионами, заряженными положительным электричеством (катионами), - это катиониты. Другие, взаимодействующие с анионами, называются анионитами.

От обычных синтетических смол иониты отличаются тем, что они обладают свойствами кислот и щелочей. У катионитов – кислотные свойства, у анионитов – щелочные.

Как действуют иониты? Известно, что молекулы многих веществ в воде распадаются на отдельные атомы или группы атомов, несущие электрические заряды (электрическая диссоциация ). Такие микрочастицы называются ионами. Это атомы, потерявшие или, наоборот, присоединившие к себе лишние электроны. А поскольку ионы несут электрические заряды, ими можно управлять. Иониты улавливают эти ионы, работая как своеобразная ловушка (см. рис.1).

Рис.1. Ионная ловушка.

Иониты уже трудятся в самых различных областях народного хозяйства. Исключительно полезными помощниками они оказались, например, на сахарных заводах. По ходу производства здесь необходимо тщательно очищать от нежелательных примесей свекловичный сок. Старый способ очистки сока сравнительно сложен и, главное, связан с большими потерями сахара. Применили иониты, и на том же оборудовании выход продукции повысился сразу на 8-10%.

На металлургических комбинатах им. Ильича и «Азовсталь» иониты используются в теплоэлектроцентралях для очистки воды.

В последнее время ионообменные смолы стали применять при очистке воды на ликероводочных заводах, фабриках по производству соков.

С замечательной добросовестностью «вылавливают» иониты серебро, уходящие вместе с промывными водами с копировальных фабрик, из фотолабораторий, рентгеновских кабинетов. Пропустить все эти «серебряные реки» через иониты – все равно, что открыть новое крупное месторождение этого ценного металла.

С такой же добросовестностью эти иониты «выуживают» из растворов примеси золота, меди и многих других ценных металлов.

Очистка паровых котлов от накипи – дело трудоемкое и обходится государству недешево. Пропущенная через ионитовые фильтры вода становится настолько «мягкой», что котел может работать во много раз дольше.

Нельзя забывать и другого. Обеспечивая высокую степень очистки различных материалов, иониты позволяют совершенствовать многие производственные процессы, способствуют прогрессу во многих отраслях хозяйства.

В машиностроении и теплоэнергетике, гидрометаллургии, радиотехнике, пищевой промышленности – всюду теперь несут полезную службу иониты. А ведь семейство этих чудесных полимеров все растет. Новые иониты находят новое применение.

Ученые поговаривают даже о том, что в будущем иониты будут извлекать золото из морской воды! И это будет экономически выгодно.

Выводы

1. На мой взгляд, термин «сверхчистые материалы» - не совсем корректный, поскольку:

- неизвестно, какую чистоту, а точнее загрязненность материалов надо считать обычной, чтобы относительно нее можно было говорить о «сверхчистом» материале;

- для одних материалов их высокая чистота/малая загрязненность по примесям определяется процентами и их долями, а для других материалов, например, для полупроводников – германия, кремния – «сверхчистота» подразумевает загрязненность, измеряемую миллиардными долями процента.

2. Роль химии в получении «сверхчистых материалов», в основном, заключается в следующем: