Все окружающие нас материалы состоят из вещества или смеси веществ. С точки зрения химии, самой маленькой частицей вещества является молекула. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Таким образом, молекулы могут состоять как из одинаковых атомов, например, кислород состоит из двух одинаковых атомов кислорода (0₂), так и из различных атомов: сюда относятся молекулы всех сложных веществ, например, поваренная соль также состоит из двух атомов, но они разные — один атом хлора и один натрия (научное название — хлорид натрия — NaCI).

Система элементов и предсказание Менделеева

Несмотря на все многообразие и разнообразие окружающих нас веществ, или, говоря языком химиков, — химических элементов, все они создавались природой по определенной системе. Первым, кому удалось раскрыть эту тайну, стал русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907). В 1869 г. он ввел классификацию химических элементов, основанную на зависимости различных свойств элементов от заряда их атомного ядра. Изобразив свое открытие графически, Менделеев создал так называемую «Периодическую таблицу химических элементов», более известную, как «Периодическая таблица Менделеева».

Пользуясь своей таблицей, уже на следующий год ученый предсказал существование, вычислил атомные массы и описал свойства трех еще не известных в те годы химических элементов — галлия (открыт в 1875 г.), скандия (открыт в 1879 г.) и германия (открыт в 1885 г.). В дальнейшем Менделеев предсказал существование еще восьми химических элементов.

Наука о веществах и их смешивании

Наука, изучающая вещества, их свойства, строение и превращения, происходящие в результате их соединения (смешивания), получила название «химия». По наиболее распространенной версии, оно образовано от древнегреческого слова «химеос», обозначающего «смешивание», «сплавы».

В наши дни химия является самой обширной среди всех естественных наук. Она изучает химические элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются различные химические реакции. По многим вопросам она переплетается с другой важной наукой — физикой.

Металлы

Некоторые из металлов находят в земле в чистом виде. Но большинство из них залегают только в соединениях с другими веществами. Химическое соединение, содержащее металлы, называют рудой. Отрасль промышленности, занятая получением чистых металлов и их сплавов из природного сырья, — металлургия.

Руда, содержащая металл, как правило, имеет еще большое количество всевозможных примесей. Обработка некоторых руд проходит всего в два-три этапа, обработка других предполагает очень сложный процесс. Поэтому первыми человек начал обрабатывать металлы, которые можно было встретить в чистом виде. В первую очередь ими стали медь, которую начали использовать примерно за 5 тыс. лет до н. э., и золото — в 4000 г. до н. э.

Изделия из металла — самые прочные

Значительно позже (около 1,5 тыс. лет до н. э.) человек познакомился с железом. Это было связано с тем, что для выплавки железа требовалась более высокая температура. Но зато и предметы, сделанные из него, обладали большей прочностью и твердостью, поэтому ценились гораздо выше.

Одним из наиболее известных мастеров древности в области, как говорили в те времена, горного дела был немецкий ученый Георг Агрикола (1494—1555). В 1550 г. он выпустил иллюстрированный замечательными гравюрами научный трактат «О горном деле и металлургии», в котором описал все новейшие (для того времени) технологии и методы разработки недр, добычи и обработки металлов.

Способно образовывать сплавы

Из более сотни известных на сегодняшний день химических элементов основную часть составляют металлы. Их основными отличительными признаками являются яркий блеск, хорошая проводимость тепла и электричества и твердое состояние при обычных температурах (кроме ртути). Металлы способны образовывать сплавы и соединения с другими химическими элементами. Последний факт немаловажен, так как многие металлы обладают свойствами, мешающими использовать их для той или иной цели. Например, чистому железу присуща недостаточная твердость, и поэтому, как правило, его применяют в виде соединения с углеродом (сталь), а также с добавками других металлов: хрома, вольфрама, ванадия и т. д.

Ковка, прессование и литье

До середины XIX в. основными способами обработки металлов были ковка, штамповка (прессование) и литье.

Ковка — один из самых старых методов обработки металлов. Сильно нагретую заготовку (800—1200 °С) клали на неподвижную подставку — наковальню. Кузнец молотом наносил по заготовке сильные удары (часто удары делал механический молот, приводимый в движение силой текущей воды, ветра или паровой машиной), при этом металл расплющивался и заготовке придавалась необходимая форма.

При прессовании из листа металла специальным штампом вырубали деталь нужной формы. Главное преимущество такого метода — отштамповать деталь можно гораздо быстрее, чем отковать.

Процесс литья заключался в том, что расплавленным металлом заполнялась термостойкая форма. При охлаждении металл затвердевал и превращался в отливку, которая полностью копировала внутреннюю полость литейной формы. После этого отливку удаляли из формы.

Более прочные швы

В начале XX в. для соединения деталей начали применять газовую (ацетилено-кислородную) сварку. И хотя она не такая мощная и экономичная по сравнению с электросваркой, но обеспечивает получение сварных швов более высокой прочности. Портативность газо-сварочной аппаратуры обеспечили этому способу широкое распространение.

Создан давно, но используется и в наши дни

1898 г. русский инженер Николай Гаврилович Славянов (1854—1897) значительно усовершенствовал способ дуговой электросварки, применив вместо угольного металлический электрод. Он же создал первый в мире электросварочный автомат, принцип работы которого используется и в наши дни.

Электрическая дуга

Впервые высокоэффективный способ соединения металлов предложил русский изобретатель Николай Николаевич Бенардос (1842—1905). В 1882 г. он разработал и практически применил для соединения металлических деталей электрическую дугу, которая водружалась между угольным электродом и изделием.

Научились обрабатывать железо еще в древности

С черными металлами, а точнее с его основным представителем — железом, люди познакомились еще в глубокой древности. Ученые утверждают, что уже к 1200 г. до н. э. человек научился обрабатывать железо, и его навыки передавались из поколения в поколение. Греческий философ Аристотель (384—322 гг. до н. э.) в одной из своих многочисленных научных работ описывал способы получения некоторых сортов железа и характеризовал руду, из которой железо извлекали.

Наиболее распространенные

Все металлы условно можно разделить на две группы: черные и цветные. К черным металлам относятся железо и его сплавы (стали, ферросплавы, чугуны). По объему использования в быту и промышленности они занимают первое место (около 90%).

Старинный способ плавки

В древние времена, приступая к плавке железа, мастера сначала выкапывали круглую яму, на дно которой помещали топливо — древесный уголь. Сверху на него слоями укладывали шихту — измельченную руду и уголь. Затем над ямой сооружали верхнюю часть печи в виде конуса, в которую также засыпали уголь. После того как топливо внизу поджигалось, начинался сильный разогрев руды. Когда плавка заканчивалась, печь разламывали и извлекали железо. Дальнейшая обработка происходила в кузнице, где его снова разогревали в горне и обрабатывали ударами молота, чтобы удалить шлак.

Очистка железа перемешиванием

Первым, кто внес существенные изменения в этот процесс, стал английский металлург Генри Корт (1740—1800). В 1784 г. он получил патент на изобретение печи, в которой очистка железа при выплавке шла путем непрерывного перемешивания металла и шлака. Кстати, именно это изобретение обеспечило мировое лидерство Великобритании в металлургии в XIX в.

Современная доменная печь

В наши дни для выделения железа из руды служит доменная печь, которую сооружают из стали и выкладывают изнутри огнеупорным кирпичом. Она загружается сверху шихтой, состоящей из железной руды, кокса и известняка. Расплавленное железо стекает вниз, собираясь на дне, а расплавленный шлак плавает на его поверхности. В конце плавки железо и шлак выпускают из домны.

Чугун очень хрупок

Металл, выплавленный в доменной печи — это не чистое железо, а его сплав с углеродом — чугуном. Его широкое применение в промышленности ограничено большой хрупкостью. Первый значительный шаг в получении из железа стали сделал англичанин Бенджамин Хантсмен (1704—1776). В 1745 г. он сконструировал печь, в которой сталь можно было выплавлять в небольших тиглях, отделяя примеси и получая высококачественный продукт. Однако его изобретение не позволяло получать сталь в больших количествах.

«Превращатель» чугуна в сталь

Первый способ промышленной переработки чугуна в сталь в 1855 г. разработал английский изобретатель Генри Бессемер (1813—1898). Созданная им особая печь, которую он назвал «конвертор», то есть «превращатель», представляла собой сосуд, напоминающий по форме кувшин с узким горлышком. В печь наливали расплавленный чугун, а затем продували его кислородом. Находящийся в чугуне углерод сгорал, и металл превращался в сталь.

Для Мертеновского способа годится и лом

Не прошло и десяти лет, как бессемеровский метод варки был вытеснен другим способом, открытым в 1864 г. французским металлургом Пьером Мартеном (1824—1915) (его назвали по имени изобретателя «мартеновским»). Мартеновский процесс был более сложным, но обеспечивал выплавку стали высокого качества и позволял использовать для этого металлический лом.

Качество зависит от добавок

В ходе развития черной металлургии люди обратили внимание, что на качество стали и ее свойства большое влияние оказывают различные химические добавки. Огромную работу в этой области провел английский металлург Роберт Форестер Мюшет (1811—1891). В ходе исследований и экспериментов он создал ряд прочных сталей, легированных вольфрамом, хромом, марганцем и титаном.

Нержавейка — сталь с большим содержанием хрома

Первым процесс производства нержавеющей стали разработал английский металлург Гарольд Брирли (1871—1948). В 1914 г. он обнаружил способность стали с высоким содержанием хрома сопротивляться кислотной коррозии. Впоследствии он использовал свое открытие в производстве стали для изготовления ножей.

Меди можно придать любую форму

Первым цветным металлом, с которым познакомился человек, стала медь. Она легко расплющивалась, и, следовательно, ей можно было придать любую форму. В наши дни медь в чистом виде широко используется в тех областях промышленности, где ее характерные свойства сложно заменить другими материалами. Например, в электротехнике, где из меди делают провода, она особенно ценится за низкое удельное сопротивление.

«Крылатый» металл

Среди цветных металлов достойное место занимает алюминий. Сейчас уже сложно представить себе жизнь без этого блестящего, легкого, хорошо поддающегося штамповке и прекрасно проводящего электричество металла. Он является почти идеальным материалом для изготовления кухонной утвари, поскольку хорошо проводит тепло и легко очищается. Однако особенно широко он используется при производстве двигателей машин и в самолетостроении, где его называют «крылатым металлом».

Может заменить золото

Приблизительно 3,5 тыс. лет назад древние мастера начали использовать сплавы металлов, первым из которых стала бронза — смесь меди с оловом. В настоящее время существует ряд марок бронз, некоторые из них получены в результате добавления к меди алюминия, марганца, свинца, никеля и даже железа. Из них изготавливают монеты, строительные конструкции, отливают памятники, а алюминиевая бронза благодаря красивому золотисто-желтому цвету в ювелирных изделиях может даже заменить золото.

Благородные металлы

Среди цветных металлов есть и такие, которые не подвержены коррозии и окислению, обладают привлекательным блеском и благодаря своей редкости являются драгоценными. К таким металлам относятся серебро, золото, платина и 5 металлов платиновой группы (рутений, родий, палладий, осмий, иридий). Все они по праву называются благородными.

Серебро известно человечеству уже почти несколько тысяч лет. В древние времена оно применялось в основном для изготовления ювелирных украшений. С середины XIII в. серебро стало традиционным материалом для изготовления посуды и чеканки медалей и монет.

Алмазы и бриллианты

Археологические исследования показывают, что впервые люди познакомились с алмазами в Индии более 2,5 тыс. лет тому назад. Они не только привлекают исключительной красотой своих кристаллических граней, но, кроме того, алмазы являются и самым твердым природным материалом. Древние греки называли алмаз «адамас», что означало «непобедимый».

После того как алмазу в ходе специальной обработки придается определенная форма, он превращается в бриллиант, что в переводе с французского означает «блестящий».

В наши дни лишь незначительная часть всех добываемых алмазов попадает к ювелирам — из-за своей чрезвычайной твердости основная их масса используется в промышленности. Здесь их применяют для изготовления режущих частей всевозможных инструментов, способных резать самые твердые материалы.

Получить искусственный алмаз возможно при сверхвысоком давлении

Поскольку алмазы представляют собой большую ценность и для ювелиров, и для промышленности, неоднократно предпринимались попытки производить их искусственным путем. Первооткрывателем так называемых синтетических алмазов является шотландский химик Джеймс Хэнней (1855—1893). В 1879 г. в ходе эксперимента, в котором смеси различных веществ длительное время выдерживались в запаянной стальной трубе, нагретой до красного каления, ему удалось получить несколько кристаллов, которые были признаны алмазами.

Некоторые ученые подвергают сомнению лидерство Хэннея, справедливо считая, что искусственный алмаз невозможно создать при столь низких давлениях и температурах. Поэтому часто указывают, что первый искусственный алмаз был получен в 1954 г. на специальной установке, имитировавшей многовековые процессы, происходящие в глубине нашей планеты. Специальный пресс создал такое огромное давление, что на каждый квадратный сантиметр исходного вещества (обыкновенный графит, из которого делают стержни в «простых» карандашах) давило более 56 т. При этом температура была поднята до 2,5 тыс. градусов.

Нефть

Разделить нефть на компоненты можно различными способами, основным из которых является перегонка. Суть ее состоит в том, что нефть разделяют нагреванием на различные группы углеводородов, так называемые фракции.

Самые тяжелые углеводороды — мазут, кипящий при температуре около 350 °С, остается внизу. Несколько выше превращаются в жидкость пары тех углеводородов, которые кипят при температуре 250—350 °С. Это газолин. Более летучие углеводороды, кипящие при 200—250 'С, собираются еще выше и образуют керосин. Затем идет лигроин (температура кипения 100—200 °С), а на самом верху собирается бензин.

«Расколоть» нефть

Часто для переработки нефти применяют крекинг (от английского to crack — «разламываться, раскалываться»). Его суть состоит в следующем: в состав нефти входят такие тяжелые углеводороды, которые, прежде чем достичь своей точки кипения, начинают разлагаться. Таким образом, из одной большой молекулы тяжелого углеводорода образуется несколько более мелких молекул с разной температурой кипения и разным удельным весом.

Современная установка для крекинга построена еще в 1891 г. по принципу, предложенному русским инженером Владимиром Георгиевичем Шуховым (1853—1939). Она состоит из трубчатой печи, реактора, в котором расщепляются молекулы, колонны, где разделяются продукты расщепления, и насосов.

Из нефти можно делать даже еду

Всем известны основные продукты переработки нефти — это топливо (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут), смазочные масла, битум, асфальт и смола. Однако мало кому известно, что при рациональном подходе из нефти можно получить множество полезных веществ практически для любой области. Например, сжиженный газ для бытовых нужд, удобрение (синтетический аммиак) и ядохимикаты для сельского хозяйства, а также ряд веществ, используемых для производства пищевых продуктов, упаковочного материала и даже одежды, которую мы носим.

Бумага

Изобретателями бумаги в современном понимании этого слова были древние китайцы. Согласно китайской летописи, в 105 г. китайский чиновник Цай Лунь (50—121) изготовил новый материал для письма, который по своему качеству не уступал белому шелку (использовавшемуся для производства бумаги), но был более доступным. Делали его из бамбука, которого в Китае произрастает огромное множество. Только в начале XII в. секрет «китайской» бумаги попал в Европу. Здесь новый материал очень быстро нашел поклонников.

Непрерывное производство бумаги из древесины

Проект первой бумагоделательной машины разработал французский инженер Луи-Николя Робер (1761—1828) в 1798 г. Его патент выкупили английские братья-промышленники Генри (1766—1854) и Сили (1771—1852) Фурдринье и, несколько усовершенствовав конструкцию, стали авторами первой в мире установки для непрерывного производства бумаги.

Вначале древесину размалывали в щепу, которую затем механически разделяли на волокна. В массу добавляли клей, чтобы на будущей бумаге чернила не расплывались. После этого формировалось непрерывное полотно, которое высушивали и глянцевали — прогоняли через нагретые металлические полированные валики и тем самым придавали бумаге окончательную гладкость.

Многоликая бумага

Бумага — главное средство для письма, рисования и печати. Однако практически с самого начала промышленного производства она приобрела еще несколько сотен назначений. Даже в наши дни не прекращаются разработки новых видов бумажной продукции. Бумагой и материалами с преобладающим содержанием бумаги зачастую заменяют ткани во многих изделиях — от подвенечных платьев до детских пеленок, больничных простыней и хирургических халатов одноразового пользования.

Спасти деревья

Как известно, для изготовления бумаги используется древесная масса. Тем самым природе наносится трудновосполнимый урон. Однако в целлюлозу можно перерабатывать и уже бывшую в употреблении бумагу (100 кг вторичного сырья спасает 1 дерево). Отслужившие свой срок изделия из бумаги и картона получили название «макулатура» (от лат. maculo — «пачкаю»).

Резина

У резины есть далекий «предок» — каучук, получаемый из сока дерева гевеи, растущего в Южной Америке. Кстати, слово «каучук» было образовано от индейского «кахучу», которое переводится как «плачущее дерево». Издавна индейцы употребляли его застывший сок — чикл — в качестве жвачки. Есть сведения, что, обратив внимание на его эластичность, они даже стали делать из него мячи для игр. Утверждают, что именно один из таких мячей привез в качестве сувенира королевской чете в 1493 г. испанский мореплаватель Христофор Колумб (1451—1506), вернувшись из своего первого путешествия, в котором он открыл Америку.

Популярные макинтоши

Первый по-настоящему крупный шаг в области использования каучука был сделан в начале XX в. предприимчивым шотландским химиком-технологом Чарльзом Макинтошем (1766—1843). В 1823 г. он запатентовал процесс изготовления непромокаемой ткани путем ее обработки каучуком, растворенным в лигроине. Изготовленные таким способом непромокаемые плащи вскоре приобрели такую популярность, что сами стали называться «макинтошами».

В основе — латекс

Каучук — это липкое, эластичное, твердое вещество, которое получают из составляющей сок дерева беловатой жидкости — латекса. Только около трети латекса составляет каучук, остальное — вода. Для сбора латекса на стволе дерева делают короткий диагональный надрез. Сок вытекает в специальные сосуды и затем сворачивается, образуя тонкие пласты каучука. В наши дни применяют более эффективный метод выделения каучука — латекс обрабатывают на центрифугах для получения концентрата.

Бол ее упругая и эластичная резина

В 1839 г. американский химик Чарльз Гудьер (1800—1860) обнаружил, что при нагревании каучука с серой и свинцовыми белилами он I довольно сильно меняет свои свойства — становится более упругим, эластичным и не таким { чувствительным к изменению температуры. С этого момента новый материал — резина — и начал использоваться практически во всех I сферах жизнедеятельности человека. Например, сам Гудьер основал фирму, которая занималась производством автомобильных шин.

Ткани

В древние времена для изготовления ткани человек использовал лишь те волокна, которые давала ему природа. В наши дни кроме натуральных волокон часто применяют синтетические, полученные химическим путем. Изготовленные из них ткани по внешнему виду сложно отличить от натуральных шерстяных, шелковых и хлопчатобумажных.

Первое волокно из шерсти животных

Самое первое волокно, которое получили в свое распоряжение люди, было добыто из шерсти животных. Это произошло практически сразу же после того, как человек начал заниматься животноводством, то есть около 9 тыс. лет назад. Шерсть от животных получали, как правило, при помощи стрижки, реже — вычесыванием.

Лен — ткань древних египтян

Текстильные волокна также можно получать из стеблей и листьев растений. Такие волокна называют «лубяными». К ним относятся лен, конопля, джут, пенька и др. Кстати, лен стал известен человеку гораздо раньше, чем хлопок. Еще более 2 тыс. лет назад из льняной ткани шили себе одежду древние египтяне.

И тончайший батист, и толстая обивка

Самое популярное из растительных волокон добывается из семенных коробочек хлопчатника. При созревании плода коробочка раскрывается, и из нее появляются волокна вместе с семенами. На хлопкоочистительных заводах хлопок-сырец очищают от листьев и коробочек, а затем на специальных машинах отделяют волокна от семян. Из хлопка получают самые разнообразные ткани — от тончайшего батиста до толстых обивочных тканей.

Шелк мир узнал благодаря странствующему монаху

Шелковая нить тонкая и прочная, а ткань из нее отражает свет, что вызывает появление красивых переливов и блеска. Шелковую нить дает гусеница тутового шелкопряда. Впервые производить ткань из шелковой нити начали в Древнем Китае ориентировочно 2,5 тыс. лет назад. Секрет ткани очень тщательно хранился, а за его разглашение полагалась смерть. По одной из версий, больше похожей на легенду, мир узнал технологию изготовления шелка после того, как ориентировочно в 550 г. странствующий монах вынес из Китая яйца шелкопряда в палке, которая служила ему посохом.

Прядение плюс ткачество — ткань

Искусство изготовления тканей кардинальным образом изменило жизнь и облик человека. Вместо звериных шкур люди начали облачаться в удобную одежду. Процесс производства ткани делится на две основные операции — получение пряжи (прядение) и производство холста (ткачество).

Не обойтись без веретена

Вначале люди изготавливали пряжу вручную — вытягивали пальцами из массы волокон узенькую ленточку и скручивали ее. Только в начале XIV в. появилась первая текстильная машина — прялка, которая одновременно скручивала пряжу и наматывала ее на веретено.

Механизированная «Дженни»

Наиболее эффективный вариант прядильной машины в 1764 г. запатентовал английский ткач Джеймс Харгривс (1720—1778). Свое устройство он назвал в честь дочери «Дженни». Изобретатель построил механизированную прялку с четырьмя вертикальными веретенами и одним колесом. Благодаря простоте конструкции и дешевизне изготовления машина Харгривса получила широкое распространение. Спустя несколько лет после его смерти в Англии уже работало несколько десятков тысяч станков типа «Дженни».

Ткачество — это переплетение нитей

Ткачество имеет не менее интересную историю, чем прядение. Если рассматривать этот вопрос упрощенно, то ткачество — это процесс, как метод, при котором нитки переплетаются, чтобы сделать ткань. По такому принципу работали еще пещерные люди, жившие около 30 тыс. лет назад. Только плели они не из нитей и не ткань, а соломенные корзины, подстилки и волосяные рыболовные сети. Археологи утверждают, что самые первые тканые материалы появились на Ближнем Востоке около 5 тыс. лет назад.

Непопулярное изобретение

Принято считать, что первый по-настоящему механический ткацкий станок изобрел в 1785 г. английский священник и изобретатель Эдмунд Картрайт (1743—1823). Впрочем, в свое время его машина особого успеха не имела, однако она послужила основой для создания ткацких машин различного назначения: для выработки тканей из шерсти, хлопка, льна, а также для коврового производства.

Стекло

Этот удивительный материал обладает рядом уникальных характеристик: в расплавленном виде легко принимает всевозможные формы, а затем эта форма уже не меняется со временем. Более того, изделия из стекла надежно сохраняют имеющееся в них содержимое, так как противостоят агрессивным средам (кислотам и т. п.), непроницаемы для газов и жидкостей. Кроме того, стекло не подвластно коррозии и служит хорошим электрическим изолятором (диэлектриком).

Делали давно, но далекое от совершенства

Ориентировочно в 1200 г. до н. э. египтяне научились отливать стекло в формах. Однако по-настоящему стекло начали использовать только римляне, которые первыми стали делать тонкие оконные стекла. Справедливости ради следует отметить, что античные оконные стекла были далеки от совершенства — в те времена их трудно было сделать прозрачными, тонкими и гладкими. Только в XVII в. люди научились производить достаточно большие, гладкие и прозрачные листы стекла.

Выдувание — настоящее искусство

В течение длительного времени главным способом изготовления предметов из стекла было выдувание. Этот процесс практически ничем не отличается от выдувания мыльных пузырей. Разница лишь в том, что вместо мыльной воды берут стекло, которое находится в расплавленном состоянии.

В наши дни ручное выдувание стекла становится все большей редкостью. Сегодня подобный способ используется только при производстве специальной научной аппаратуры или очень дорогих, великолепных, эксклюзивных изделий из стекла.

Машины-стеклодувы

В конце XIX в. в связи с возросшей потребностью в изделиях из стекла процесс их производства был механизирован. Появились станки, позволяющие выпускать листовое стекло и посуду в больших количествах. Так, например, в 1903 г. в Европе был запущен завод по производству бутылок, оборудованный стеклодувными машинами. Вслед за «бутылочной» машиной появились аппараты, изготавливающие стаканы, колбы для лампочек, банки и т. п. В результате уже в начале XX в. большинство всех стеклянных сосудов производилось машинным способом.

Современное стекольное производство

Современные стекольные заводы полностью механизированы и автоматизированы. Вещества тщательно отмеряются, дозируются и смешиваются. Смесь автоматически подается в печь (температура — около 1500 ”С), которая работает непрерывно: с одного конца подается смесь, с другого — выпускается расплавленное стекло.

Осколки не ранят

В середине XX в. специально для нужд транспорта было создано так называемое «безопасное стекло». Когда такое стекло разбивается, то под действием сил внутреннего напряжения оно рассыпается на мелкие кусочки с закругленными краями, которые не представляют опасности для водителя и пассажиров. В последнее время безопасное стекло делают многослойным. Средний слой изготавливают из жесткого пластика, который удерживает кусочки стекла при его разрушении.

Неограниченные возможности

Из стекла можно не только изготовить предмет, но и получить волокно. Стекловолокно, или, как его еще называют, стеклонить, демонстрирует необычные для стекла свойства: оно не бьется, не ломается и легко гнется. Толщина такого волокна составляет от 3 до 100 мкм, а длина — практически безгранична. Это открывает новые возможности для использования стекла. Так, например, из стекловолокна можно изготавливать стеклоткань. Кроме того, хорошо известны гибкие оптические волокна (световоды), позволяющие со скоростью света передавать огромные массы информации, и при этом луч света можно изогнуть как угодно, и даже завязать в узел.

Прекрасный утеплитель

Как из хлопка делают хлопчатобумажную вату, также из стекловолокна можно произвести стеклянную вату. Такой материал имеет повышенную химическую стойкость, упругость и прочность, небольшую плотность, низкую теплопроводность и высокую температуростойкость (около 450 °С). Благодаря этому изделия из стеклянной ваты являются прекрасным утеплителем и широко применяются в строительстве и производстве.

Полимеры и пластмассы

Свое название полимеры (от греческих слов «poly» — «много», «meros» — «часть») получили из-за химического состава и строения. Молекула полимера образуется в результате последовательного присоединения друг к другу простых молекул — мономеров. Так, например, молекула всем известного полиэтилена, из которого делают упаковочную пленку, состоит из сотен тысяч маленьких молекул газа этилена.

Способны приобретать необходимые полезные свойства

Только в начале 30-х годов XX в. полимеры начали завоевывать популярность. Началось промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами. Из полимеров выпускали всевозможные бытовые предметы: граммофонные пластинки, телефоны, фотокамеры, щетки и даже мебель.

Современные полимеры очень легко подвергаются различной обработке, в результате которой они приобретают те свойства, которые необходимы человеку. Вот почему так трудно отличить шину из искусственной резины от настоящей резиновой.

Похож на тягучую резину

Первый полимер получил английский ученый Александр Паркс (1813—1890) в 1862 г. Проводя опыты с дезинфицирующим медицинским раствором, который содержал целлюлозу, камфару и спирт, он заметил, что при определенных условиях это соединение загустевает и становится похожим на тягучую резиновую массу. Продолжив эксперименты, Паркс получил первый органический пластический материал — паркезин.

Темный дешевый пластик

Крупное открытие в области полимеров сделал в 1909 г. американец бельгийского происхождения химик Лео Хендрик Бакеланд (1863— 1944). Он создал темную пластическую массу, которая затвердевала при нагревании. Новый материал был дешев в производстве, не растворялся в обычных растворителях, мог принимать любую форму и не проводил электричество. Ученый назвал новый материал в честь себя — бакелитом. Он стал первым полностью синтетическим полимером.

Легкая как пробка и прочная как броня

В наши дни наиболее распространенным полимером являются пластические массы, или, как их чаще называют, «пластмассы». И это не случайно, ведь в этих материалах, как ни в одних других, сочетаются самые разнообразные ценные свойства. Пластмасса может быть легкой как пробка и прочной как броня, прозрачной как стекло и упругой как сталь. Изделиям из нее не страшны удары и физические нагрузки, не причиняют им никакого вреда ни кислоты, ни щелочь, ни высокая температура.

Синтетический каучук получили советские ученые

Не менее известен такой полимер, как искусственный каучук. Считается, что первыми, кому удалось разработать процесс его синтеза, стали советские ученые Сергей Васильевич Лебедев (1874—1934) и Борис Васильевич Бызов (1880—1934). Уже в 1931 г. на территории СССР начали работать первые в мире мощные заводы синтетического каучука. Подобные производства в Европе появились только через 5 лет, а в США — через 10.

Отличный материал для окон

В последнее время стали очень популярны окна и двери из полимера, который прячется за аббревиатурой ПВХ. Полное название этого вещества — поливинилхлорид. Получают его из винилхлорида, который, в свою очередь, синтезируют из этилена. Изделия из ПВХ устойчивы к воде, спиртам, концентрированным кислотам и щелочам.

Незаменимый целлофан

Прозрачный пленочный полимер, применяемый для упаковки товаров и известный всем как целлофан, был разработан в 1910 г. швейцарским изобретателем Жаком Эдвином Бранденбергером.

В наши дни целлофан используется как прозрачный упаковочный материал (например, на коробках с CD и DVD-дисками, пачками сигарет и т. д.), а также для упаковки пищевых продуктов, кондитерских изделий, для изготовления оболочки для колбас и сыров и т. п.

Не боится ударов

Ацетилцеллюлоза — представитель семейства негорючих полимеров. Она хорошо известна благодаря высокой устойчивости к механическим ударам и способности окрашиваться. Ацетилцеллюлоза была изобретена еще в 1894 г., но до середины XX в. широко не применялась до тех пор, пока не получила более высокой прочности. После этого ацетилцеллюлозу начали использовать при производстве кино- и фотопленки, где она с успехом заменила горючий целлулоид. А в дальнейшем она в значительной мере потеснила полиэтилен и полистирол.

Красивей шелка, прочнее шерсти

Изобретение полимерных волокон было обусловлено тем, что натуральные волокна, например, хлопка, были слишком коротки, недостаточно прочны и требовали сложной технологической обработки.

Из синтетических и искусственных волокон делают самые разнообразные ткани. Одни из них — очень тонкие, легкие и прозрачные — превосходят по качеству и красоте натуральный шелк. Другие — более плотные, ворсистые, мягкие — очень похожи на шерсть, но в то же время прочнее ее.

Сырье для чулок и колгот

Первое в мире синтетическое полиамидное волокно, получившее название «нейлон», было открыто в 1937 г. американским химиком-технологом Уоллесом Хьюмом Каротерсом (1896—1937). Для того чтобы нейлон выглядел как шелк и был прочен, группы волокон или даже отдельные волокна используются в качестве непрерывных нитей для ткачества, вязания и шитья. Первоначально нейлоновое волокно применялось только для производства женских чулок и колгот.

Долгожитель — искусственный шелк

В 1892 г. группа английских ученных под руководством Чарлза Фредерика Кросса (1855—1935) разработала процесс производства искусственного шелка. Изделия из него до сих пор пользуются спросом и производятся в значительных количествах, несмотря на широкое распространение более современных синтетических волокон.

Композиционные материалы

Делать сплавы из металлов люди научились очень давно. Они поняли, что не обязательно для улучшения свойств материалов к металлам надо добавлять металлы. Так появилось целое направление в науке, которое разрабатывает технологии, позволяющие объединять в единое целое совершенно разнородные материалы и получать вещества с феноменальными качествами. Такие вещества прозвали композитами. Чаще всего они состоят из армирующих элементов, которые обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т. д.), объединенных вместе каким-либо связующим веществом, которое обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Железобетон — отличный композиционный материал

Считается, что первыми композиционными материалами являются кирпичи, которые использовали для строительства древние египтяне еще 4—5 тыс. лет назад. Тогда для повышения прочности своего изделия они добавляли в глину солому.

При возведении современных зданий и сооружений широко используются композиционные материалы. Наиболее известным из них является железобетон. Он был изобретен французским садовником Жозефом Монье (1823—1906) в 1867 г. и вначале использовался как материал для изготовления небьющихся горшков. А уже через десять лет из железобетона начали делать железнодорожные шпалы, перекрытия, колонны, здания, балки, своды, мосты и т. п.

Металлокерамические материалы

Относительно недавно (примерно в 80-х годах XX в.) появились новые керамические композитные материалы, обладающие повышенной вязкостью. В них керамика выступает в качестве связующего вещества, а металлы служат арматурой. Примерно в это же время были изобретены и металлокерамические материалы (кермет, металлокерамика), в которых наоборот керамические волокна являются армирующим элементом и повышают прочность сплавов легких металлов на основе алюминия и титана.

Многоликая фанера

Еще одним примером композитов являются многослойные материалы, полученные путем соединения тонких слоев одного или нескольких материалов. Это и текстолит — слоистый пластик, и ламинат (ламинированные полы), и более известная всем фанера. Она состоит из тонких слоев (шпона) дерева, склеенных вместе смолами. Волокна древесины в каждом слое располагаются по-разному, благодаря чему фанера имеет одинаковую прочность по всей площади. В дальнейшем листы можно шлифовать и ламинировать пленками, в результате чего получается шлифованная и ламинированная фанера, которая используется в качестве строительного материала или идет на изготовление мебели.

Легче и прочнее стали

К многослойным композиционным материалам относятся и более сложные, чем фанера, составы — стеклопластики. Они изготовлены из стекловолокнистого наполнителя (стеклянное волокно, волокно из кварца и др.) и связующего вещества (термореактивные и термопластичные полимеры). Такие материалы долговечны, обладают высокой биологической стойкостью и надежно противостоят воздействиям агрессивных сред. Кроме того, по крепости они приближаются к стали, но при этом в несколько раз легче ее и прочнее.

Необычайно легкий и термостойкий

Полимерный композиционный материал углепластик, или, как его еще называют, «карбон» (от англ. carbon — «углерод»), по принципу изготовления похож на стеклопластик, но в качестве армирующего элемента здесь применяют переплетенные нити углеродного волокна. Такой материал отличается высокой прочностью, жесткостью и малым весом. Правда, он и обходится значительно дороже аналогичных деталей из стекловолокна и поэтому применяется только там, где нужна особая прочность и термостойкость, — при изготовлении корпусов гоночных автомобилей класса «Формула 1», кузовных деталей спортивных автомобилей, лопастей вертолетов и т. п.