Потомки двух химий

Потомки двух химий

В Москве на Ленинском проспекте расположено скромное здание Института элементоорганических соединений. Это одна из крепостей, на которые опирается у нас в стране химическая наука, причисленная в наше время к ведущим отраслям естествознания.

Мы сидим в просторном кабинете заместителя директора института члена-корреспондента Академии наук СССР Василия Владимировича Коршака. Он рассказывает нам о том, как органическая химия создает новые материалы.

— Природа — очень экономный строитель, — говорит Василий Владимирович. — Все бесконечное разнообразие окружающего нас мира: царство минералов, растения, космические странники — метеориты, мы сами — все изумительное здание природы построено немногим более чем из сотни кирпичиков — химических элементов. Но не все они используются в равной степени. Некоторые из них и существуют-то лишь доли секунды в современных лабораторных установках, к помощи других природа прибегает гораздо чаще. И среди них самый интересный — углерод.

Поразительным качеством углерода является его необычайная «плодовитость». Изучением соединений углерода с другими элементами занимается специальная наука — органическая химия. Если число всех известных в настоящее время неорганических веществ составляет около 50 тысяч, то каждый месяц в химических лабораториях мира рождается несколько тысяч потомков углерода — органических веществ. И в настоящее время их известно несколько миллионов.

Чем же объясняется способность углерода давать такое большое количество соединений?

В первую очередь способностью атомов углерода соединяться друг с другом, образуя длинные прямые или разветвленные цепи или кольца различного размера. В состав этих цепей или колец могут входить также и атомы других элементов, поэтому многообразие органических соединений неисчерпаемо.

Особенно интересной группой органических соединений являются вещества, имеющие молекулы большого размера. Их молекулярный вес исчисляется тысячами и миллионами. Такие вещества называются высокомолекулярными соединениями или попросту полимерами.

Полимеры обладают различными свойствами. Одни тверды, но хрупки. Другие не боятся ударов, но мягки. Третьим не страшен огонь, но они очень непрочны. Ну, а если нужно получить вещество одновременно прочное, нехрупкое и негорючее? Искать новый полимер? Оказывается, необязательно. Учеными был разработан способ «прививки» одного полимера к другому. Иногда для этого полимеризуют вещество в присутствии другого полимера, а иногда используют рентгеновские лучи или поток радиоактивного излучения. Под действием излучения связи между атомами углерода расшатываются, нарушаются, и «вакантные места» занимает длинная цепочка молекул другого полимера. Так рождается новое вещество, обладающее заранее намеченными свойствами. Например, кремний-органический каучук очень боится бензина и масла. Под воздействием гамма-лучей к нему «прививают» маслостойкий акрилонитрил. После этого ему уже не страшны ни бензин, ни масло. Так химики «конструируют» материалы.

Метод прививок широко используется для получения устойчивых пленок, защищающих металл от ржавления, для изготовления различных видов клея, прочно соединяющего металлические детали, для выделки непромокаемых тканей и во многих других случаях.

Как вы думаете, можно ли растереть молекулу в ступе? На первый взгляд кажется, что нет. Коротенькую молекулу неорганических веществ в ступе действительно не растереть. Но если это гигантская молекула полимера, то картина резко меняется.

Не так давно химики обнаружили, что при интенсивном дроблении полимера цепочка молекул разрывается и образуются очень активные обломки — радикалы.

Если дробить смесь нескольких полимеров, то радикалы могут связываться между собой и образовывать новый сополимер привитой или блочной структуры.

Исследованиями химических процессов, происходящих в полимерных веществах при их механической обработке, занимается юная наука — механохимия, наука, которой жить в XXI веке.

Она делает первые шаги, но исследователи уже добились успехов. Так, например, советскими химиками было доказано, что образование активных радикалов может происходить при замораживании полимеров в воде или других средах. При замерзании возникают большие внутренние давления, разрывающие молекулярную цепочку.

Каждое имеющееся в природе вещество химики относят или к органическим или к неорганическим. Но четкой границы между ними не существует. Есть вещества, лежащие на стыке двух химий.

Ближайшим родственником углерода является кремний. Это очень распространенный элемент. Если его «родной брат» углерод образует основу мира животных и растений, то кремний возглавляет царство минералов и горных пород.

Почти на четверть земная кора состоит из кремния. В чистом виде он никогда не встречается, а только в соединениях с другими элементами. Самым распространенным его соединением является кремнезем. Кристаллический кремнезем — это кварц, горный хрусталь, аметист, топаз и обыкновенный песок. Все эти соединения кремния необычайно термостойки. Например, кварц выдерживает нагрев до 1500°. Поэтому из него делают лабораторную посуду, стекло для ламп ультрафиолетового облучения и другие жаростойкие изделия.

Почти все органические полимеры очень боятся высоких температур. Если им приходится работать при повышенных температурах, они быстро стареют и разрушаются. При действии высоких температур высокомолекулярное вещество начинает медленно окисляться, при этом образуются летучие вещества, материал теряет в весе и становится хрупким. Нельзя ли устранить этот недостаток органических веществ и прибавить им теплостойкости, которой так щедро наделены неорганические вещества? Оказывается, можно, вводя в органические соединения такие типичные для неорганической природы элементы, как кремний, фтор, фосфор, бор, титан, медь и другие металлы. В результате этого получаются элементоорганические соединения, сочетающие в себе положительные свойства обоих компонентов. Остановимся на веществах, содержащих кремний.

Первые кремний-органические соединения были синтезированы более 100 лет тому назад. Но только в последние 20 лет благодаря работам советского химика члена-корреспондента Академии наук СССР К. А. Андрианова и его школы кремний-органические соединения получили промышленное применение. В настоящее время их насчитывается более 5 тысяч. На заводах химической промышленности нашей страны вырабатывается около 40 наименований различных кремний-органических соединений.

Кремний-органические масла в отличие от минеральных не разжижаются при высоких температурах и не замерзают при низких. Отдельные виды масел сохраняют все свои важные для техники свойства в интервале температур от -60 до +200°. Смотрите, сколько веществ создали химики, чтобы человек мог использовать технику всюду — и на земле, и при полетах на ракетах, и, может быть, даже при высадке на астероиды…

Для некоторых химических процессов необходимы жидкости, способные длительно работать при плюс 300–400°. Органические соединения не в состоянии вынести такую температуру, а жидкие полимерные органосилоксаны служат надежно. Достоинством этих жидкостей является химическая инертность; они не действуют на металлы, не растворяют пластмассы и резину.

Есть у них и еще одно замечательное свойство: некоторые из них прекрасно гасят пену. Добавка тысячных долей кремний-органической жидкости в масло позволяет ему надежно смазывать механизмы при высокой температуре. Это особенно важно для тех механизмов, где сочетаются высокий нагрев и малая величина атмосферного давления. Масло без добавки антипенных веществ нагревается, вскипает, и густая пена препятствует проникновению смазки в сочленения, подшипники и другие трущиеся детали.

Антипенные присадки применяются и при синтезе искусственного каучука, в винном деле, в производстве сахара.

Кремний-органические соединения позволили создать в литейном деле совершенно новую технологию — прецезионное литье, отличающееся высокой точностью отливок. Обычно при литье песок в некоторых местах пригорает к отливке и отделить его не так-то просто. Смазывание песочных форм кремний-органическими жидкостями дает возможность получить чистую отливку.

Был подсчитан экономический эффект от применения кремний-органических полимеров в литейном деле. На каждые 500 тысяч тонн отлитых металлических деталей экономится 75 тысяч тонн металла, высвобождается 5 тысяч металлорежущих станков и 20 тысяч рабочих в литейных и механических цехах. В денежном выражении экономия составляет много миллионов рублей.

Кремний-органические жидкости предохраняют не только от пригора-ния, но и от примерзания. Полки холодильников, тормозные колодки и многие другие детали начинают покрывать лаками, полученными из этих жидкостей.

Широкое применение получат жидкие кремний-органические соединения для придания различным материалам водоотталкивающих свойств. Стекла автомобилей, покрытые лаком из этих жидкостей, не будут замерзать зимой и покрываться влажной пленкой в дождь. И кристаллы снежинок и капли дождя не смогут сцепиться со стеклом и будут сметены воздушным потоком. Стекло не потребует обогрева, перед глазами водителя не будет мелькать хлопотливый «дворник».

Ткани, пропитанные этими составами, не только не пропускают воду, но даже не смачиваются. После десяти химических чисток пропитанная ткань сохраняет свои замечательные свойства.

Но особенно важна кремний-органическая защита для обуви. Ботинки, покрытые чудесным лаком, не будут набухать от воды, грязь будет легко сниматься с них влажной тряпкой, не оставляя никаких следов. При этом кожа сохранит свое пористое строение и нога будет легко дышать, что совершенно исключено в резиновой обуви.

Вода доставляет неприятность не только одежде и обуви. Многие строительные материалы, металлы и предметы домашнего обихода также нуждаются в защите от нее. Сейчас водоотталкивающими полимерами покрывают цемент, гипс, бетон, камень, штукатурку. При помощи их производят легко моющуюся посуду, непромокаемый картон, бумажные пакеты для молока и других жидкостей.

Огромные возможности открыли кремний-органические соединения в электротехнике. Обычная изоляция электрических проводов из органических полимеров выдерживает нагрев до 130°, а кремний-органическая изоляция может нагреваться до 180°. Это позволяет при конструировании электродвигателей, трансформаторов и других электрических машин сократить расход меди на 40 процентов. При этом общий вес электродвигателей снижается на 20 процентов, а срок службы машин при сохранении рабочих температур обмотки увеличивается в 4–6 раз.

Кремний-органическая изоляция обладает высокими диэлектрическими свойствами и не горит. Она применяется для напряженно работающих агрегатов и машин, для которых особенно важна надежность. Это моторы турбогенераторов и врубовых машин, энергетическое оборудование кораблей. Было подсчитано, что только в угольной промышленности благодаря внедрению кремний-органической изоляции электродвигателей можно получить годовую экономию в 65 миллионов рублей.

Полиорганоксилоксановые смолы с метильными органическими группами образуют продукт, очень напоминающий по своим свойствам каучук. Поэтому ему и дали название силиконового каучука. Особенностью этого материала является отличная термостойкость. Для современных машин, работающих с огромными скоростями и давлениями, очень часто требуются резиновые детали, способные выдерживать высокую температуру. Обычные натуральные и синтетические каучуки начинают разлагаться при температуре в 150°, а силиконовый каучук выдерживает нагрев до 250–300°. Из него делают прокладки нагревательных печей, уплотнения двигателей, используют в химической аппаратуре. Существуют нагрева-тельные приборы, в которых электрическая спираль впрессована прямо в силиконовую резину. Характерной особенностью некоторых сортов этих каучуков является сочетание теплостойкости с морозостойкостью. Они сохраняют высокую эластичность до минус 100°.

Одними из замечательнейших синтетических продуктов являются фторосодержащие органические полимеры — фторопласты. Самый интересный из них — тефлон, получивший название «пластмассовой платины». Если в молекуле полиэтилена все атомы водорода заменить фтором, то получится вещество, которое химики называют политетрафторэтиленом, а инженеры — тефлоном.

Издавна платина славилась тем, что она не боится ни огня, ни воды, ни кислот. Из нее изготавливались эталоны, остающиеся неизменными в течение веков. Именно поэтому она получила название благородного металла. Новый пластик «благородством» превзошел платину. Его не разъедают крепкие кислоты и щелочи. Он не растворяется ни в одном из известных органических растворителей. Не набухает в воде, не горит, сохраняет форму при нагреве до 300°, не становится хрупким при температуре минус 200°, не прилипает к самым липким веществам. Поэтому там, где приходится иметь дело с агрессивными средами, высокими температурами, липкими веществами, тефлон незаменим.

Тефлон найдет широкое применение в химических установках, в пищевой промышленности и холодильном деле. Из него будут делать трубы для реакторов и валки для раскатки карамели, уплотнения в холодильниках и спецодежду для химиков. Он заменит бронзу в клапанах, кожу — в манжетах, резину — в уплотнениях, асбест — в жаростойких прокладках.

Тефлон — изумительный диэлектрик. Изоляционные материалы, изготовленные на его основе, надежно защитят аппаратуру в воде и кислотах, на морозе и в жару. Он обладает очень низким коэффициентом трения, поэтому тефлоновые подшипники могут работать без смазки очень продолжительное время. Применение тефлона долго ограничивалось тем, что он с большим трудом склеивался как сам с собой, так и с другими материалами. Недавно в технических журналах появились рецепты такой обработки поверхности тефлоновых пластиков, в результате которой материал стал прекрасно склеиваться с пластмассами, алюминием, сталью и деревом.

Можно было бы указать еще много элементоорганических соединений, очень интересных в практическом отношении. Это антидетонаторы, такие, как тетраэтилсвинец, повышающий качество моторного топлива. Это фосфорорганические инсектициды, как ниулф и др., позволяющие бороться с вредителями сельского хозяйства. Это амолгины — органические катализаторы, позволяющие получать из нефти и природных газов такие дешевые и прочные полимеры, как полиэтилен, полипротилен и др. Этих веществ нет и не было в природе. Миллионы новых соединений созданы силой человеческого разума. Конечно, многие из них еще недостаточно хорошо изучены. Много замечательных свойств и поразительных материалов обнаружат среди них химики. Новые топлива и смазки, краски и медикаменты, ткани и строительные материалы, полученные на основе этих веществ, появятся в самом недалеком будущем. Постигнув во многом еще загадочные законы образования свойств у химических соединений, наука получит возможность делать материалы «на заказ». Когда-то алхимики искали «философский камень», способный превращать в золото природные материалы. Органическая химия дала человечеству гораздо большее: возможность получать никогда не существовавшие материалы.

К XXI веку синтетические материалы полностью завоюют технику и быт. И они будут красивее, лучше, и дешевле, чем натуральная шерсть, мех, кожа.