Wynalazki, które zmieniły świat

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)
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
Duraluminium
Główny
skład. stopu
Cu ≥ 80%
Cu lub Zn
Fe
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
chromowoniklowa
18%Cr i 8%
Ni
Odlewy o
dużej
twardości
jednak
kruche
Stop o dużej
wytrzymałoś
ci 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 sodowowapniowe)
 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
Produkcję tafli szklanych
wytworzono
datuje się na 1913r – szkło
w XIV wieku w kształcie
wyciągane (ciągnione) – szkło
owalnym – tzw. gomółki
płaskie ciągnione jest
produkowane metodą
Szkło walcowane
maszynowego ciągnienia masy
ornamentowe jest to
szklanej; jest
szkło przezroczyste,
najtańsze, ale może zawierać
którego jedna strona ma
pęcherze i odpryski
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.