Wynalazki, które zmieniły świat Metale i ich stopy Szkło i materiały ceramiczne Papier Mydła i detergenty Leki Ropa naftowa i produkty jej przetwarzania Włókna i tworzywa Materiały wybuchowe

Metale i ich stopy Metale – ciała stałe (wyjątek Hg), kowalne, ciągliwe, dają się walcować, podatne na odkształcenia, z reguły białe z srebrzystym połyskiem, bardzo dobre przewodniki prądu i ciepła Epoka miedzi (ok. 5000r. p.n.e.) – narzędzia, broń i ozdoby Epoka brązu (ok. 3400r. p.n.e) – stop Cu, Sn, Zn o większej twardości niż miedź Epoka żelaza (ok. 1200r. p.n.e)

Ważniejsze rodzaje stopów metali Stopy metali Stopy metali – mieszaniny metali i niemetali (C, Si, P, S) charakteryzują się lepszymi właściwościami fizycznymi – twardością, podatnością na odkształcanie, właściwościami chemicznymi – zwiększona odporność na korozję metali i działanie czynników chemicznych Ważniejsze rodzaje stopów metali Nazwa Brązy Mosiądze Stal Żeliwo Duralumi-nium Główny skład. stopu Cu ≥ 80% Cu lub Zn Fe Al ok. 95% Domieszki metali i niemetali Sn ≤ 20% Zn, P, Si, Pb Czerwony ≤ 20% Zn (tombak) Żółty 20 – 60% Zn Biały 60 – 80% Zn C < 1,7%, i < 0,3% Cr, Mn, Ti, Ni C 2 – 4%, Si, Mn 3-5% Cu, 0,5-2% Mg Mn ≤ 1% Zastosowa -nie / właściwości monety, dzwony, pomniki, przewody elektryczne Tombak – biżuteria Żółty – części maszyn, okrętów i przedmiotów codziennego użytku Stal nierdzewna chromowo-niklowa 18%Cr i 8% Ni Odlewy o dużej twardości jednak kruche Stop o dużej wytrzymałości i twardości o 3-krotnie lżejszy od stali

Procesy zachodzące w piecu hutniczym Etapy wytapiania żelaza: Spalanie koksu w celu otrzymania energii cieplnej C + O2  CO2 Redukcja CO2 do CO CO2 + C  2 CO Redukcja tlenków żelaza do żelaza wolnego Fe2O3 + CO  2Fe O+ CO2 FeO + CO  Fe + CO2 Topniki CaCO3 + SiO2 umożliwiają usunięcie trudnotopliwych zanieczyszczeń: CaCO3  CaO + CO2 CaO + SiO2  CaSiO3 Metakrzemiany mają mniejszą gęstość niż surówka i zalegają na jej powierzchni

Stopy żelaza: żeliwo i stale Surówki: Szara zawiera od 2 do 4% C, przerabia się na żeliwo: stop twardy, kruchy, nieodporny na uderzenia, wykonuje się odlewy i obrabia się przez skrawanie, nie można walcować, kuć, spawać Biała zawiera do 2% C, przerabia się na stal, stop podatny na kucie, walcowanie, prasowanie można spawać i poddawać skrawaniu, hartować

Szkło i materiały ceramiczne (1/5) Szkło – mieszanina SiO2 oraz : metakrzeminów(IV) głównie wapnia i sodu (szkło sodowo-wapniowe) tlenków metali (PbO i K2O – szkło kryształowe), Szkło: nie posiada określonej temp. topnienia, ma nieuporządkowaną strukturę krystaliczną, nie przewodzi prądu elektrycznego daje się dowolnie formować, otrzymuje się przez stapianie w temp. ok. 1400oC krzemionki z określonymi dodatkami (np. tlenki metali dla nadania określonej barwy lub zwiększenia współczynnika załamania światła) Szkło kwarcowe – otrzymuje się przez stopienie czystego SiO2 w temp. 1800oC (odporne na gwałtowne zmiany temp.)

Szkło cd Pierwsze szkło otrzymano w Mezopotamii ok 3500r. p.n.e. Pierwsze szyby wytworzono w XIV wieku w kształcie owalnym – tzw. gomółki Produkcję tafli szklanych datuje się na 1913r – szkło wyciągane (ciągnione) – szkło płaskie ciągnione jest produkowane metodą maszynowego ciągnienia masy szklanej; jest najtańsze, ale może zawierać pęcherze i odpryski Szkło walcowane ornamentowe jest to szkło przezroczyste, którego jedna strona ma wytłoczony wzór wykonany metodą walcowania gorącej tafli szkła.

Szkło Wynalezienie w 1952r. metody float było przełomem w produkcji szkła płaskiego (wylewanie masy szklanej na roztopioną cynę, pod wpływem grawitacji masa rozlewa się idealnie płasko) Szkło produkowane tą metodą jest prawie idealnie płaskie, nie ma zniekształceń i wad optycznych. Proces float, opracowany pierwotnie dla szkła o grubości 6 mm, pozwala obecnie na produkcję o grubości od 0,4 mm do 25 mm. W kwietniu 2011 roku firma Asahi Glass wprowadziła na rynek szkło o grubości 0,28 mm. Miesiąc później koncern wyprodukował taflę o grubości 0,1 mm

Materiały ceramiczne Rodzaje materiałów ceramicznych: Porcelana – produkowana z najszlachetniejszych gat. kaolinu (skały ilaste będące produktem wietrzenia glinokrzemianów – kaolinit [Al2(OH)4][Si2O5] - skała bardzo miękka, tłusta w dotyku, barwy białej lub żółtej) Porcelit i fajans – wyroby mniej kruche niż porcelana (talerze, naczynia, ceramika sanitarna) Kamionka – otrzymuje się z mieszaniny gliny, kwarcu i wody, wypalony produkt pokrywa się NaCl i ponownie poddaje się wypalaniu w temp. 1200-1300oC w celu otrzymania szklistej glazury (płytki ceramiczne ścienne i podłogowe, rury kanalizacyjne, naczynia) Z gliny przez wypalanie w temp. 1400oC produkuje się dachówki, cegły oraz terakotę.

Etapy produkcji wyrobów ceramicznych Przygotowanie mieszaniny kaolinu z wodą (kwarcem, skaleniami w przypadku kamionki) Formowanie – nadanie kształtu mieszaninie (np. na kole garncarskim, w gotowych formach) Suszenie w wypalanie w temp. 1000oC Barwienie i szkliwienie – nakłada się barwnik i szkliwem i ponownie poddaje się wypalaniu w temp. 1200 – 1400oC Gotowy wyrób ma szklistą powierzchnię i jest nieprzepuszczalny dla wody

Papier – papirus (1/4) Stosowany w Egipcie (od ok. 3000r. p.n.e do XI w.), otrzymywany z łodyg Cibory papirusowej (Cyperus papyrus), cienkie paski układano na zakład w 2-ch krzyżujących się warstwach, po nawilżeniu pasowano i suszono większe arkusze otrzymywano przez sklejanie brzegami za pomocą kleju z mąki z wodą oraz octu Arkusz zapisywano tylko z jednej strony

Papier – pergamin i papier Pergamin stosowany w średniowieczu otrzymywany z wyprawianych skór zwierzęcych (cielęce, kozie, owcze) zapisywany dwustronnie Papier stosowany w Chinach od ok. 2200 lat temu, pierwsze wytwórnie papieru czerpanego w Europie powstały w XII – XIII wieku (Hiszpania i Włochy)

Etapy produkcji papieru Surowcem do produkcji jest celuloza (polisacharyd): słoma – 35%, drewno - 50%, bawełna – 90% celulozy Otrzymanie masy drzewnej (ścier z drewna sosnowego) lub makulaturowej Wymieszanie masy z wodą z oczyszczeniem (otrzymanie masy włóknistej) i bieleniem (związki chemiczne wykorzystywane w tej metodzie to najczęściej: tlen (O2), ozon (O3), nadtlenek wodoru (H2O2) Maszynowe uformowanie wstęgi papierowej o wilgotności 80% Prasowanie wstęgi w celu usunięcia wody do wilgotności 50-65%, suszenie do wilgotności 7,5-8% Zwijanie papieru w bele (rolki)

Rodzaje papieru Papier czerpany – masę papierniczą wylewa się ma sita, odsącza się zwody, aby otrzymać określoną fakturę przekłada się tkaniną o określonym splecie i poddaje się prasowaniu Papier pergaminowy – gładki, częściowy przezroczysty, odporny w wodę i tłuszcze, otrzymuje się przez przepuszczanie przez roztwór H2SO4, płukanie wodą, przepuszczenie przez roztwór Na2CO3, powtórne płukanie oraz kilkukrotne prasowanie Celofan – bezbarwny lub barwiony, otrzymuje się z wiskozy (celuloza poddana działaniu NaOH i CS2) nasączonej glicerolem (gliceryną) Papier celulozowy – papier nie poddany procesowi bielenia (barwy szarej, brązowej, żółtawej) Papier kredowy - papier powlekany cienką warstwą mieszaniny białego pigmentu mineralnego (zazwyczaj siarczanu baru i kaplinu) oraz kleju; charakteryzuje się obniżoną wsiąkliwością.

Mydła i detergenty Detergenty – substancje zmniejszające napięcie powierzchniowe wody Saponiny – substancje o podobnym działaniu do detergentów występ. np. w korzeniach Mydlnicy lekarskiej, skórce łodyg i łupinach owoców kasztanowca, naparstnicy, jukki, aloesu) wykazują zdolność obniżania napięcia powierzchniowego roztworów wodnych pienią się w wodzie jak mydło (szczególnie dobrze w ciepłej), dlatego organy roślinne bogate w saponiny stosowano jako namiastkę mydła, do prania

Mydła i detergenty oraz kosmetyki Substancje mydłopodobne otrzymano ok. 4500 lat temu z tłuszczów zwierzęcych i roślinnych oraz popiołu, wynalezienie mydła przypisuje się Fenicjanom, Obecnie mydła otrzymuje się w procesie zmydlania tłuszczów mocnym zasadami (NaOH – mydła sodowe, KOH – mydła potasowe), proces przebiega wg schematu: Tłuszcz + zasada  mydło + glicerol (w podwyższonej temp.) Pierwsze kosmetyki wytwarzano w Egipcie (ok. 3500r. p.n.e.) – PbCO3 – filtr przeciwsłoneczny, oleje roślinne aromatyzowane cynamonem, mirrą Do dalszego rozwoju produkcji kosmetyków doszyło po wynalezieniu destylacji i enfleurage – pochłaniania zapachów przez substancje tłuszczowe. Od końca XIXw. stosuje się nadal substancje naturalne (ambra, piżmo) sztuczne i syntetyczne odpowiedniki substancji naturalnych

Leki Ograniczone działanie kwasu salicylowego HO-C6H4-COOH znano w Egipcie (1500r. p.n.e.), wyodrębniono go soku (salicyna) kory wierzby W 1853r otrzymano kwas acetylosalicylowy, w 1899r wprowadzono do sprzedaży jako aspirynę (ester kwasu octowego i kwasu salicylowego) – lek przeciwbólowy i przeciwgorączkowy W 1928 r. odkryto penicylinę co spowodowało wzrost skuteczności w lecznictwie chorób infekcyjnych W XX wieku – leki „projektuje się” w oparciu o znajomość mechanizmu działania określnych związków lub grup funkcyjnych na określone czynniki chorobotwórcze, leki są skuteczniejsze i mają działanie selektywne

Paliwa ropopochodne Substancje (smoły, asfalty) stosowano w Mezopotamii do izolacji przeciwwodnych oraz w Grecji do pocisków zapalających (greckie ognie) Ignacy Łukaszewicz w 1853r. przeprowadził pierwszy proces destylacji ropy naftowej, skonstruował lampę naftową, od tego momentu zapoczątkowany został rozwój przemysłu naftowego: produkcja paliw płynnych i gazowych produkcja materiałów do nawierzchni dróg i materiałów izolacyjnych w budownictwie produkcja kosmetyków na bazie parafiny i wazeliny produkcja tworzyw sztucznych (polimerów i polikondensatów), oraz innych surowców chemicznych

Włókna i tworzywa Włókna – podstawowa jednostka struktury materiałów, cechą charakterystyczną jest znaczna długość i niewielki przekrój Włókna wstępują w materiałach naturalnych (wełna, len, bawełna) i jak sztucznych tj. polimery i polidondensaty Najstarszym tworzywem sztucznym jest bakelit (1909r.)- oparte na żywicy fenolowo-formaldehydowej, dobry izolator, twardy, kruchy, niepalny, oporny chemicznie, stosowany do produkcji obudowy radioodbiorników, telefonów Najstarszym termoplastem jest celuloid – XIXw [azotan(V) celulozy], stosowany w produkcji zabawek, taśm filmowych, błon fotograficznych, łatwopalny

Tworzywa sztuczne specjalne a sport PMMA – poli(metakrylan metylu): twardy, bezbarwny, stosowany do produkcji okularów sportowych PTFE – tefon: produkcja tkanin wodoodprnych i wiatroszczelnych, pokryć dachowych obiektów sportowych Poliestry – tkaniny lżejsze do tkanin bawełnianych, o dużej elastyczności i mniejszej chłonności wody, produkcja odzieży sportowej Poliamidy – lekkie, mocne i odporne obuwie sportowe Włókna węglanowe i szklane – duża elastyczność, mała masa, produkcja tyczek do skoków, kadłubów sprzętu wodnego

Materiały wybuchowe Materiał wybuchowy – związek chemiczny i mieszanina związków ulegająca gwałtownej reakcji egzoenergetycznej z wydzieleniem dużej ilości produktów gazowych i energii cieplnej co skutkuje wzrostem ciśnienia i powstaniem fali uderzeniowej Proch czarny – mieszania węgla drzewnego, siarki i KNO3, wynaleziony w Chinach w IX w. n.e., w Europie znany od XIII w., stosowany jako materiał kruszący i miotający, produktami wybuchu są N2, CO2, K2CO3, K2SO4, K2S, (NH4)2CO3. Proch bezdymny - proch nitrocelulozowy wynaleziony w XIX w., który podczas spalania wytwarza wyłącznie lub głównie produkty gazowe (np. N2, H2, H2O, CO i CO2), używany jako ładunek miotający do broni strzeleckiej i broni artyleryjskiej, ma znacznie większą siłę wybuchu od prochu czarnego (dymnego) i w znacznej mierze go wyparł

Materiały wybuchowe Triazotan(V) glicerolu – ester kwasu azotowego(V) i glicerolu (błędna nazwa nitrogliceryna), otrzymana w 1847r. Oleista ciecz o jasnożółtej barwie, ławo ulegająca rozkładowi w wyniku wstrząsu, uderzenia lub ogrzania, produkty rozkładu CO2, N2, H2O, O2 Dynamit - materiał wybuchowy wynaleziony przez Alfreda Nobla (opatentowany w 1867 roku), początkowo zawierał 75% nitrogliceryny i 25% ziemi okrzemkowej.