3. Проблема хімічного елемента

Концепція хімічного елемента з'явилася у хімічній науці у результаті прагнення людини виявити першоелемент природи. Вона проіснувала більше двох тисяч років. Проте лише у XVII столітті Р. Бойль започаткував уявлення про хімічний елемент як про просте тіло, межу хімічного розкладання речовини, що переходить без зміни зі складу одного складного тіла в інше. Проте ще ціле століття хіміки робили помилки у визначенні хімічних елементів.

У подальшому Д.І. Менделєєв довів, що властивості хімічного елемента залежать від місця даного елемента в періодичній системі, що врешті-решт визначається зарядом ядра атома. У XX столітті фізика спромоглася встановити складну структуру атома будь-якого хімічного елемента. Атом є єдиною квантово-механічною системою, що складається з позитивно зарядженого ядра і негативно зарядженої електронної оболонки. Були з'ясовані особливості будови електронних орбіталей атомів усіх елементів і особлива роль серед них зовнішньої електронної оболонки, від кількості електронів у якій залежить реакційна здатність елемента. Найбільш активними з хімічної точки зору є елементи, що мають мінімальну атомну масу і 6-7 електронів у зовнішній електронній оболонці (фтор, хлор і кисень): вони прагнуть добудувати свою електронну оболонку, приєднавши число електронів, яких не вистачає. Активними також є метали, що мають велику атомну масу і 1-2 електрони на зовнішньому електронному рівні (барій, цезій). Вони прагнуть їх віддати для добудови електронної оболонки. На цьому базується поняття валентності - здатності атома до утворення хімічних зв'язків.

Сьогодні науці відомо 116 хімічних елементів. Їх питомий вміст у природних мінералах украй нерівномірний. Так, 98,6% маси фізично доступного шару Землі становлять всього вісім хімічних елементів: кисень, (27,5%), алюміній (8,8%), залізо (4,6%), кальцій 13%, натрій (2,6%), калій (2,5%), магній (2,1%). Проте використовуються ці елементи непропорційно. Наприклад, заліза у земній корі міститься удвічі менше, ніж алюмінію, але сьогодні більше ніж 95% усіх металевих виробів виготовляють із залізорудної сировини. Тому у сучасній хімії концепція хімічного елемента постає як проблема раціонального використання хімічних елементів.

Перш за все дослідження у цій області спрямовані на вивчення і використання силікатів, які становлять 97% маси земної кори. Звідси цілком природне переконання вчених, що силікати повинні стати основною сировиною для виробництва всіх будівельних матеріалів і напівфабрикатів при виготовленні кераміки, здатної конкурувати з металами.

Увага хіміків до цих двох видів матеріалів невипадкова: саме метали і кераміка на 90% становлять сучасну матеріально-технічну базу виробництва. Сьогодні щорічно виготовляється близько 600 млн тонн металу – більше 150 кг на кожного жителя планети. Приблизно стільки ж виготовляється і кераміки разом із цеглою. Проте виготовлення металу обходиться у сотні і тисячі разів дорожче за кераміку. Різниця в їх вартості до недавнього часу особливо нікого не хвилювала, оскільки кожен матеріал мав своє призначення. Але сьогодні завдяки хімії відкривається все більше можливостей для заміни металу на кераміку. Тут істотними є дві обставини: виробництво кераміки набагато легше у технічному відношенні і вигідніше економічно, а головне кераміка за своїми показниками виявляється більш задовільним конструкційним матеріалом у порівнянні з металом.

Очевидна перевага кераміки полягає у тому, що її густина на 40% нижча, ніж густина металів, що дозволяє відповідно зменшити масу деталей, що виготовляються з кераміки. При використанні у виробництві кераміки нових хімічних елементів - цирконію, титану, бору, германію, хрому, молібдену, вольфраму та ін. - можна одержувати керамічні вироби з наперед заданими властивостями. Так, останнім часом була синтезована вогнетривка, термостійка, високотверда кераміка з набором заданих електрофізичних властивостей.

Вперше у світі у 60-х роках XX сторіччя в СРСР був одержаний надтвердий матеріал – гексаніт - Р. Він є одним із різновидів нітриду бору з температурою плавлення 3200 градусів за Цельсієм і твердістю, близькою до твердості алмазу. У цього матеріалу відсутня крихкість, властива кераміці. Така кераміка виробляється методом пресування порошків з отриманням необхідних форм і розмірів, що робить непотрібною механічну обробку виробів.

Ще одна перевага деяких видів кераміки порівняно з металами - надпровідність при температурі кипіння азоту (-195,8 ⁰С). Практична реалізація високотемпературної надпровідності відкриває величезні перспективи для створення надпотужних двигунів і генераторів, транспортних систем на магнітній подушці, розроблення надпотужних електромагнітних прискорювачів і т.ін.

Справжній переворот у теорії хімічних елементів відбувся із виникненням хімії фторорганічних сполук. Вона відкрила абсолютно новий світ органічних речовин. Справа у тому, що фторвуглеводи мають виняткову стійкість навіть у дуже агресивних середовищах кислот і лугів, особливу поверхневу активність, здатність поглинати кисень і перекиси. Тому вироби з фторвуглеводу застосовуються як матеріал для виготовлення внутрішніх органів людини (наприклад, серцевих клапанів, кровоносних судин тощо).