Введение. 
Химия

17 сентября 1751 г. в публичном собрании Российской императорской академии наук академик Михайло Васильевич Ломоносов (1711 — 1765) произнес знаменитое «Слово о пользе химии», содержавшее провидческие слова: «Широко распростирает химия руки свои в дела человеческие, слушатели. Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются пред очами нашими успехи ея прилежания». Утверждение, высказанное Ломоносовым еще в XVIII в., о месте химии в человеческой цивилизации не утратило своей актуальности и сегодня.

Роль химии в современной науке, технологии и жизни общества в целом, в решении накопившихся экологических проблем — борьба с загрязнением окружающей среды, предотвращение парникового эффекта и неконтролируемого изменения климата, создание эффективных лекарственных препаратов для лечения тяжелых заболеваний — переоценить нельзя. Химия так вездесуща в своих проявлениях, что можно утверждать — сама жизнь без химии невозможна.

Химические закономерности лежат в основе процессов получения всех конструкционных материалов — металлов, полимеров, керамики, композитов. Химия же обеспечивает защиту этих материалов от разрушающего воздействия окружающей среды — коррозии. Поскольку современные машины работают в условиях высоких температур (узлы двигателей), высоких давлений или, наоборот, вакуума, а иногда в сильно агрессивных средах, современный инженер обязан знать физико-химические свойства конструкционных материалов, их предельные возможности для любых конкретных условий эксплуатации. Процессы изменения вещества связаны с внешними физическими условиями, в которых они протекают (температура, давление, концентрация и т. д.), и сопровождаются выделением или поглощением энергии. Изменяя эти условия, затрачивая энергию на проведение химических процессов или отводя ее (получение энергии за счет химических реакций), можно регулировать процессы химического изменения веществ, состав и свойства получаемых продуктов. Подавляющее большинство природных веществ должно подвергнуться химической переработке, прежде чем стать продуктами потребления человеческого общества. Получение металлов из природных соединений (руд), переработка каменного угля, нефти, древесины, природного газа, горных пород с целью получения стекла, керамики, цемента и, наконец, производство громадного количества синтетических материалов из полупродуктов — все это химические процессы.

Развитие различных отраслей химической науки и совершенствование процессов с целью более полного и комплексного использования природных ресурсов ведут к прогрессу производительных сил в обществе. Современное производство немыслимо без развития химической науки и химической технологии. Особенно сильно возросла роль химии в современной технике, оперирующей энергиями огромной мощности, большая часть которых получается за счет энергии химических реакций окисления топлив или за счет энергии ядерных превращений. Современная техника характеризуется высокой энергооснащенностью. В связи с этим основной задачей конструкторов и технологов становится снижение массы машины, приходящейся на единицу получаемой или потребляемой мощности. Для решения этой задачи необходим очень широкий ассортимент конструкционных материалов, обладающих достаточной прочностью.

В результате научно-технического прогресса существенно изменились методы машиностроительной и приборостроительной технологии. Вместо методов холодной обработки металлов внедряются в практику физико-химические, химические и электрохимические процессы, применимые к металлическим материалам любой прочности и любой твердости. Особенно широко они используются в приборостроении для создания миниатюрных и микроминиатюрных схем, которые другими методами и не могут быть изготовлены. На уровне технологий осуществляется прорыв в нанообласть пространство с линейными размерами 10 «⁸—10 ⁹ м. На рис. 1 показано, как может выглядеть редуктор, состоящий всего из 15 342 атомов. Такие размеры — области протекания элементарных актов химических реакций. Значит, без учета химических факторов освоение этой области невозможно.

Соединение деталей и узлов машин методом кленки давно ушло в историю и заменено процессами с привлечением высококонцентрированных источников энергии (электрический дуговой разряд, электронный луч, лазеры и др.). В машиностроении применяется также склеивание теплоустойчивыми синтетическими полимерными клеями. Сильно изменились и классические методы обработки металлов, такие как литье, ковка, штамповка и прокат. Так, например, отливку деталей машин и приборов из тугоплавких металлов, обладающих при температурах плавления очень высокой химической активностью (?, Мо, Та, Яе), ведут в вакууме, удерживая металл в магнитном ноле (вместо печей и огнеупоров, которые в данном случае уже неприменимы). Сложный и трудоемкий процесс изготовления литейных форм сейчас заменяется отливкой по выплавляемым моделям, изготовленным из пенополистирола.

Методы обработки металлов стали более высокопроизводительными благодаря применению новых режущих инструментов, изготовленных из.

Рис. 1. Редуктор, состоящий из 15 342 атомов.

(анимацию см. по адресу: http://kbogdanovl.narod.ru/nanotechnology/Drexler.htm) синтетических алмазов, карбидов вольфрама или титана, карбидов или нитридов других элементов, полученных химическим путем (эльбор, боразон). В современной технике широко применяются металлические композитные материалы, не проходящие в процессе изготовления через жидкую фазу (процесс плавления). В качестве конструкционных материалов теперь используются и неметаллы — синтетический графит (более прочный при высоких температурах, чем металл), керамика на базе корунда (А1₂О_э) или кварца (БЮ₂), обладающая повышенной работоспособностью при высоких температурах, синтетические полимерные материалы на основе органических, элементоорганических и неорганических соединений.

Рост и развитие промышленного и сельскохозяйственного производств сильно влияют на окружающую среду. Это выражается в истощении почв, загрязнении атмосферы и природных вод, уменьшении площади зеленых массивов, регулирующих содержание кислорода в атмосфере и сохраняющих реки, а также в сокращении отдельных видов растительного и животного мира. В этой связи перед химией стоит задача создания новых безотходных технологических процессов, осуществляемых по замкнутому циклу. Поэтому одной из важнейших задач современной химии является охрана окружающей среды путем развития технологий, которые получили название «зеленая химия». Осуществление технологических процессов, полностью использующих природные богатства и не дающих вредных отходов производства, загрязняющих окружающую среду, возможно только при достаточно глубоком знании и широком использовании физико-химических, химических и биологических процессов.

Химия возникла на заре цивилизации из повседневного опыта и экспериментального знания. Во многом такой она остается и сейчас. Однако сегодня эксперимент в химии базируется не только на опыте, но и на фундаментальных химических теориях о строении и свойствах вещества. Каковы же требования к химической компетенции бакалавра, который профессионально должен конструировать, создавать и эксплуатировать различные устройства, машины и приборы? Бакалавр должен уметь осознавать химический характер решаемой проблемы, уметь сформулировать вопросы на языке, понятном снециалистам-химикам, и понять смысл полученных от химиков решений и рекомендаций.