A TECHNOLУGIA MЙRFЦLDKЦVEI KЙMIKUS SZEMMEL

1
A TECHNOLÓGIA MÉRFÖLDKÖVEI KÉMIKUS SZEMMEL
A kiállítás az Amerikai Egyesült Államokban, az
Amerikai Kémiai Társaság (ACS) által, Pavláth
Attila professzor elnöksége idején, 2002-ben
létrehozott Technological Milestones címu
elektronikus tárlat átdolgozott, magyar változata.
Készült a Szegedi Tudományegyetem Fizikai Kémiai
Tanszékén Rideg Nóra kémiatanár-vegyész szakos
hallgató tanári szakdolgozatának részeként
2007-ben. Témavezeto Németh Veronika egyetemi
tanársegéd
2
A TECHNOLÓGIA MÉRFÖLDKÖVEI KÉMIKUS SZEMMELI.
ENERGIASZOLGÁLTATÁS
A vegyészek és vegyészmérnökök számos
találmánya és fejlesztése az energiaszolgáltatás
és -szállítás területén lehetové teszi számunkra
azt, hogy képesek vagyunk nemcsak a Földön, hanem
a világurben is élni. A XIX. században az
emberek otthonaikat fával vagy szénnel futötték,
világításra petróleumlámpát vagy gyertyákat
használtak, és vasúton, gozhajókon utaztak, vagy
lovon illetve gyalog közlekedtek. Mivel az
elmúlt két évszázadban rendkívül megnott a
népesség energiaigénye, a vegyészek és
vegyészmérnökök új energiaforrásokat, folyékony
üzemanyagokat, elemeket, akkumulátorokat és új
típusú energiahasznosító technológiákat
fejlesztettek ki. A kémia vívmányai
forradalmasították a közlekedést az autók,
repülogépek, az urhajók és az utak építéséhez
felhasznált, újonnan kifejlesztett, illetve a
továbbfejlesztett szerkezeti anyagok révén.
A természetes forrásból származó ércek és a
koolaj kitermelési technológiájának
kidolgozásával, teljesen új anyagok
kifejlesztésével a vegyészek és -mérnökök az
emberiség számára egy teljesen újfajta
életstílust tettek lehetové.
I.1. Energiaforrások Szén felhasználása
energiaforrásként Koolaj feltárása és
kitermelése Nukleáris energia Alternatív
energiaforrások I.2. Elektromos energia tárolása
és a hordozható energiaforrások Egyszer
használatos elemek Akkumulátorok és
újratöltheto elemek I.3. Utak és hidak
alapanyagai Beton Aszfalt Fémek és
ötvözeteik Karbantartási és javítási
technológiák
I.4. Petrolkémiai üzemanyagok Benzin
eloállítása nyersolajból Üzemanyag adalékok
Gépkocsi katalizátorok I.5. Gépjármuipar
Progresszív anyagok a tervezésért, a kényelemért
és a biztonságért Muanyag alkatrészek
Gumiabroncs-technológia I.6. Légi közlekedés
Forrólevegos holégballonok Hélium Rakéta
üzemanyagok Repülogépek és rakéták szerkezeti
anyagai
3
Kronológia 1882 A háztartásoknak az elso
széntüzelésu eromuvek szolgáltatnak elektromos
áramot. 1884 A német Gottlieb Daimler megépíti
az elso benzinnel muködo, szikragyújtású,
dugattyús motorral felszerelt autót. 1902
Aszfalt burkolatú utak építése. 1913 A
szénhidrogének termikus krakkolásával(a
molekulák ho hatására történo láncszakadása) no a
koolajból kinyerheto benzin mennyisége. 1921
Thomas Midgley Jr. ólom-tetraetilt alkalmaz
kopogásgátló adalékanyagként gépjármuvek
üzemanyagában. 1936 A francia Eugene Houdry
kidolgozza a koolaj katalitikus krakkolásának
eljárását nagy oktánszámú benzin
eloállítására. 1946 Az amerikai BF Goodrich cég
kifejleszti az elso tömlo nélküli
gumiabroncsot. 1949 Kifejlesztik a miniatur
alkálielemet. 1954 Üzembe helyezik az elso
szilícium alapú napelemet. 1958 Bemutatkozik a
Boeing 707, és megváltoztatja az egész légi
közlekedést. 1970-es években kifejlesztik az
ólommentes benzint, és elkezdik betiltani az
ólmozottat. 1975 Számos autótípusba
katalizátort építenek be. 1980-1990-es évek
Elterjed a lítium-ionos akkumulátorok alkalmazása
a mobiltelefonokban és a laptopokban. 1981 A
Columbia Urrepülo a világ elso újrahasznosítható
urrepüloje.
4
I.1. Energiaforrások
Szén felhasználása energiaforrásként
1890-re az Egyesült Államokban a szén, mint
legfobb energiaforrás, felváltotta a fát. Az elso
szénnel futött eromu 1882-ben épült gozt termelt
és ezzel hajtotta meg a generátort, így állítva
elo elektromosságot. 1884-ben Charles Parsons, ír
mérnök kifejlesztette a sokkal hatékonyabb, nagy
sebességu gozturbinát. 1920-ra az eromuvekben
porrá tört szénnel növelték a hatásfokot, és
csökkentették az égés levegoszükségletét. Az
1940-ben üzembe helyezett ciklonkemence muködése
lehetové tette a gyengébb minoségu szén
felhasználását, miközben üzemeltetése során
kevesebb hamu képzodött. A közelmúltban
fejlesztették ki a szénpor elégetésén alapuló
technológiát energia eloállítására, és a
környezet terhelésének csökkentésére.
Charles Parsons
Parsons gozturbinája (1907)
5
I.1. Energiaforrások
Koolaj feltárása és kitermelése
1901-ben a hatalmas texasi Spindletop-i olajmezo
felfedezése, az automobilok megjelenése és
elterjedése azt eredményezte, hogy már 1951-re a
koolaj vált a legfobb energiaforrássá, megelozve
a szenet. Folyamatosan fejlodött a
nyersolaj-finomítás eljárása, melynek során
elválasztják egymástól, illetve átalakítják a
nyersolaj egyes frakcióit, az atmoszférikus(légkö
ri nyomáson végzett) desztillációtól kezdve a
vákuumdesztilláción(csökkentett nyomáson végzett
desztilláció), krakkoláson keresztül egyéb
katalitikus eljárások alkalmazásáig. A nyersolaj
kitermelése során a legegyszerubb, elsodleges
módszer olajkutak fúrása gyémánt fúrófejekkel.
Másodlagos módszerek a fúrási iszap, illetve gáz
(szén-dioxid), vagy különbözo vegyszertartalmú
vizek visszasajtolása a földkéregbe.
Megvalósítható ma már a nyersolaj kinyerése
olajpalából(koolajat tartalmazó agyagpala vagy
márga) is.
6
I.1. Energiaforrások
Nukleáris energia
Az elso nukleáris(atomenergián alapuló) reaktort
1942-ben katonai célból hozták létre. A II.
világháború után a nukleáris technikának a békés
felhasználás irányába való elterelése magában
foglalta a villamos energia fejlesztését, ami
1951-ben Eisenhower elnök Atom a Békéért
elnevezésu programjával kezdodött. Ebben a
programban a kémia fontosabb szerepet kapott,
mint valaha bármiben is gondoskodnia kellett a
radioaktív bomlás mesterséges szabályozásáról, a
neutronok áramlásának szabályozásáról az
úgynevezett moderátorokkal, a kimerült nukleáris
futoanyagok regenerálásáról(újra
felhasználhatóvá tétel), illetve a nukleáris
hulladék ideiglenes és végleges tárolásáról,
továbbá a lakossági sugárterhelés kockázatának
minimalizálásáról.
7
I.1. Energiaforrások
Alternatív energiaforrások
Olyan alternatív megoldások alkalmazása az
energia eloállításában, mint pl. a szélenergia, a
vízienergia és a geotermikus energia(a Föld
belsejébol a felszínre áramló hoenergia)
hasznosítása, összességében az energia
eloállításnak néhány százalékát teszik ki, mégis
fontos szerepet játszhatnak helyi szinten, mivel
az energia eloállításában a gazdaságosság mellett
az elérhetoség is meghatározó lehet. A kémiai
fejlesztések révén már felfedezték a napelemeket
ho- és energiatermeléshez, a könnyu szénszál
erosítésu szélkerekeket a szél hasznosítására,
cementet és fémturbinát a vízeromuvekben és
rozsdamentes anyagokat a geotermikus források
felhasználásánál.
Az elso szilícium alapú napelem (1954)
8
I.2. Elektromos energia tárolása és hordozható
energiaforrások
Egyszer használatos elemek
A villamosenergia tárolását az olasz Alessandro
Volta fejlesztette ki az 1700-as évek végén ily
módon a kémia hozzájárult az elemek,
akkumulátorok kidolgozásához, és ezek
segítségével az energia tárolhatóvá vált. Az
1890-es évi szén-cink szárazelem a korábbi
Leclanché nedves elem elgondolására épült. A
kereskedelem számára gyártották, mert a vaku
muködtetéséhez szükség volt rá. 1949-ben egy új
lúgos vegyületet adtak a hagyományos elemekhez,
amely megnövelte azok élettartamát és lehetové
tette a miniatürizálást. Ez az új alkálielem
gyorsan elterjedt, mert nagyon praktikus volt
hordozható elektronikus eszközökhöz és a
fényképezogépekhez. Az újabban kifejlesztett
elemekben ezüst-oxidot, higany-oxidot vagy
lítiumot használnak.
Szén-cink szárazelem
Újratöltheto elemek
9
I.2. Elektromos energia tárolása és hordozható
energiaforrások
Akkumulátorok és újratöltheto elemek
Az elektromos energia eloállítására szolgáló
ólomakkumulátor (1859) egy korai példája volt
annak, hogy hogyan lehet egy ellenorzött kémiai
reakción alapuló eszközt kereskedelmi célra
alkalmazni. Fejlesztését 1881-ben kezdték meg, és
még ma is folyamatos fejlesztés, modernizálás
alatt áll. Az ólomakkumulátor fokozatosan a
domináns akkuvá vált az autóknál és a
teherautóknál. A nikkel-kadmium újratöltheto
akkut eredetileg 1899-ben készítették, de túl
drága volt ahhoz, hogy a kereskedelemben
versenyképes legyen. A legújabb fejlesztések a
lítiumra összpontosítanak. Egy 1980-as évekbeli a
lítium-ion elem használatára tett sikeres
kísérlet után a lítium-ion elemek alkalmazása
mindennapos a mobiltelefon- és laptop-akkumulátoro
knál.
10
I.3. Utak és hidak alapanyagai
Beton
Az 1950-es években az Egyesült Államok területén
folyó nagyszámú közúti építkezés minosége erosen
függött a felhasznált beton minoségétol. Az
építkezéseken felhasznált cementet eloször
1824-ben állították elo. A vasbeton osét 1867-ben
szabadalmaztatta egy francia ezermester, Joseph
Monier, virágedények készítésére. A vasbeton
lassú megszilárdulása során egy komplex kémiai
reakció játszódik le, mely során a folyékony
anyag megtölti a durva és finom méretu részek,
illetve az erosíto szálak közötti üres
térrészeket. A vasbeton tartóssága és erossége
függ a cement gondosan ellenorzött eloállítási
folyamatától és a különbözo adalékanyagoktól,
amiket a betonkeverékhez adnak, hogy csökkentsék
a zsugorodás mértékét, és savállóvá tegyék a
betont.
11
I.3. Utak és hidak alapanyagai
Aszfalt
Gazdaságossága és kedvezo tulajdonságai miatt az
aszfalt manapság egy népszeru útépítési anyag. A
természetes eredetu aszfaltot 1595-ben fedezték
fel, és 1902-ig használták az utak burkolására. A
bitumen annak a feldolgozási folyamatnak a
szilárd és félszilárd maradéka, amely során
benzint állítanak elo koolajból. Gyorsan
helyettesítette az aszfaltot a burkolásban.
Manapság különbözo szintetikus polimerekkel
javítják a tartósságát és terhelhetoségét. A
kiváló minoségu aszfalt ellenáll az idojárási
viszonyoknak és az eros terhelésnek.
12
I.3. Utak és hidak alapanyagai
Fémek és ötvözetek
Az elsodleges hídépítési anyaggá az acél vált kis
súlya, erossége, ellenállósága, könnyu
kezelhetosége és alacsony szerelési költségei
miatt, valamint amiatt, hogy ellenálló a
természeti katasztrófákkal (pl. földrengés)
szemben. Új, kiváló minoségu acélokat vezettek be
az 1990-es években, melyek rozsdamentesek és
rendkívül erosek. A hídépítésnél egy másik
technológia, a galvanizálás az acél védelmére
szolgál. Ekkor alumíniumot vagy cinket visznek
fel a megtisztított acél felületére, melyen így
egy ellenálló bevonat képzodik, ami 30 évre szóló
védelmet biztosít.
13
I.3. Utak és hidak alapanyagai
Karbantartási és javítási technológiák
Az úthálózatnak minden idojárási körülmény
között, jelentos kopás nélkül meg kell maradnia
hosszabb idotartamra. Az építési és karbantartási
anyagok körében zajló fejlesztések lehetové
teszik a hosszabb idointervallumot a javítási
munkálatok között. A cement, az aszfalt és az
acél fontosak az utak élettartamának
meghosszabbításában. Más vegyi anyagok és
polimerek köto- és adalékanyagként használatosak.
Feladatuk, hogy javítsák az aszfaltutak
minoségét. Például Európában a sztirol-butadién-sz
tirol kopolimer alkalmazásával egyre kevesebb
kátyú és repedés képzodik.
14
I.4. Petrolkémiai üzemanyagok
Benzin eloállítása nyersolajból
A benzin koolajból történo kinyerésének
hatásfok-növelése érdekében kezdetben a nehéz
olajfrakciókat a termikus krakkolás eljárásának
vetették alá. Az eljárás során a nehéz
olajfrakciókban található nagy szénatomszámú
molekulák a magas homérséklet hatására kisebb
szénatomszámú molekulákra szakadtak. A magas
homérséklet azonban nemkívánt melléktermékeket is
eredményezett. A melléktermék-képzodés
kiküszöbölésére 1936-ban Eugene Houdry
kidolgozott egy eljárást, melynek lényege a
következo volt a krakkolási folyamatot
alacsonyabb homérsékleten, egy inert(kémiailag
közömbös) anyag - ún. katalizátor - jelenlétében
játszatták le. Ezt a folyamatot katalitikus
krakkolásnak nevezzük.
Eugene Houdry és a katalitikus krakkolás
konverterének modellje
15
I.4. Petrolkémiai üzemanyagok
Üzemanyag adalékok
A régebbi motorok kopogtak, ha rossz minoségu
benzint használtak. 1921-ben ólom-tetraetilt
adtak a benzinhez, hogy a motor simábban és
csendesebben járjon. 1926-ban bevezették az
oktánszámot, a benzin kompresszióturésének(a
benzin goze jól turi az összenyomást, nem robban
föl ido elott) jellemzésére. A késobbi
évtizedekben fény derült az ólom-tetraetil
környezetszennyezo voltára, ezért az 1970-es
évektol elkezdik betiltani az ólmozott benzint.
Manapság oxigéntartalmú adalékanyagokkal
(alkoholok, éterek) növelik a motor oktánszámát,
mert ezek javítják a motor teljesítményét,
csökkentik a motor súrlódását, és
meghosszabbítják a motor élettartamát.
Idényjellegu kémiai adalékanyagokat is használnak
néhány területen, mint pl. a metanol, ami
megakadályozza az üzemanyag-vezetékek fagyását.
Thomas Midgley Jr. ólom-tetraetilt alkalmaz
kopogásgátló adalékanyagként gépjármuvek
üzemanyagában (1921)
16
I.4. Petrolkémiai üzemanyagok
Gépkocsi katalizátorok
A két utas katalizátorokat 1975-ben vezették be
a gépkocsik szén-monoxid- és szénhidrogén-kibocsát
ásának szabályozására. Hamarosan egy harmadik
utat adtak a két utas katalizátorhoz, hogy
csökkentsék a nitrogén-oxidok mennyiségét a
kipufogógázban. A katalizátorok muködése során
több lépésbol álló kémiai reakció játszódik le,
amit maga a fém, legtöbbször platina, katalizál.
A katalizátorban lejátszódó kémiai reakciók során
a nitrogén-oxidok nitrogénné és oxigénné, a
szén-monoxid szén-dioxiddá, míg az el nem égett
szénhidrogén vízzé és szén-dioxiddá alakul át.
Háromutas katalizátor
17
I.5. Gépjármuipar
Progresszív anyagok a tervezésért, a kényelemért
és a biztonságért
A XXI. század autója már nemigen hasonlít korábbi
elodeire sem külso megjelenésében, sem az általa
nyújtott kényelemben és utasbiztonságban. Nagy
teljesítményu fényszórók maximális éjszakai
világítást biztosítanak. A rozsdásodást speciális
anyagokkal, bevonatokkal drasztikusan csökkentik.
Vegyi hutofolyadék kering egy zárt környezetu
rendszerben. Az autók biztonsági üvegét 1914-ben
vezették be. Ma speciális polimerréteggel vonják
be az üveget, hogy csökkentsék a súlyt, a külso
zajokat, illetve, hogy védelmet nyújtson a tuzo
napfénnyel és az ultraibolya sugárzással szemben.
Számos biztonsági fejlesztés is történt pl. az
erosíto polimer szálak a biztonsági övben vagy a
légzsák használata.
18
I.5. Gépjármuipar
Muanyag alkatrészek
A kémiai fejlesztések eredményeképpen
csökkentették az autók súlyát, áttértek a fémrol
a muanyagra, és kiváló minoségu anyagokat
alkalmaztak. A II. világháború után az
autógyártók elkezdtek koolaj alapú szintetikus
polimereket használni keménységük, tartósságuk és
az idojárással szembeni ellenállóságuk miatt, ami
a merev szerkezeti alkatrészekkel szemben
követelmény. Az 1970-es évekbeli energiaválság
után az üzemanyag-fogyasztás csökkentése
érdekében könnyu anyagokat kerestek az autók
fém-alkatrészeinek helyettesítésére. A
formatervezési fejlesztések magukban foglalják a
teljes karosszéria egyetlen öntoformában való
gyártását, a hore lágyuló lökhárítókat, a
színtartó és UV-stabil polipropilén szálak
kidolgozását, speciális festékeket, bevonatokat
és ragasztóanyagokat.
Polipropilén szálak
19
I.5. Gépjármuipar
Gumiabroncs-technológia
A természetes gumitermékek az 1800-as évek elején
jelentek meg, de nem voltak praktikusak, mivel
megpuhultak és szélsoséges idojárási körülmények
között törékenyek voltak. Charles Goodyear
amerikai feltaláló 1839-ben kifejlesztette a
természetes gumi vulkanizálását, a telítetlen
kötések elemi kénnel történo összekötését. Ezt az
alapeljárást még ma is használják, kiegészítve
kémiai gyorsítók és stabilizátorok hozzáadásával.
1945-re a szintetikus gumi kiszorította a piacról
a természetes gumit, felhasználása ipari
méreteket öltött. Mivel a gumiabroncs iránti
igény növekedett, a tömör gumiabroncsok helyett
tömlos gumit használtak. A gumi anyagát
természetes vagy szintetikus szövet- és
fémszálakkal és adalékanyagok (pl. elemi szén)
hozzáadásával erosítettek meg, hogy a kopás
mértékét csökkentsék, majd bevezették a tömlo
nélküli gumiabroncsot.
20
I.6. Légi közlekedés
Forrólevegos holégballonok
1783-tól kezdve, amikor nyílt tuzrol felszálló
forró levegovel meghajtott holégballonnal repült
az elso ember, a holégballonok területén
forradalmi újítások történtek. A forró levegot
gyorsan felváltotta a könnyen ellenorizheto
hidrogén. Az 1960-as években csökkent az
érdeklodés a holégballonok iránt, de késobb a
holégballonozás népszeru sporttá vált, pl. az
Egyesült Államokban. A kémia úgy járult hozzá e
különleges sport sikeréhez, hogy modern anyagok
kifejlesztésével biztosította a ballonok
tartósságát, mert olcsó és hoálló anyagokat
kezdtek felhasználni. A forró levego
eloállítására folyékony propán-bután gázelegyet
használnak.
21
I.6. Légi közlekedés
Hélium
A hidrogén töltetu ballonok, mint amilyen például
a tragikus véget ért Hindenburg-léghajónak is
volt (1937), a merev szerkezet és a hidrogén
gyúlékonysága miatt nem voltak biztonságosak.
1905-ben két kémikus egy Kansas-i gázforrásban
héliumot talált. Ebbol a ritka anyagból hirtelen
boséges mennyiség állt rendelkezésre. Az I.
világháború alatt a kémiai technológia
segítségével nagy mennyiségu héliumot vontak ki a
gázforrásokból, majd tárolták és szállították. A
héliummal töltött kis felderíto léghajók a II.
világháborúban biztonságosan kísértek
seregszállító- és ellátó-hajókat, de még
tengeralattjárókat is. Az 1950-es években a
héliumot, mint hegesztogázt hasznosították a
rakéták építése során, illetve inert gázként a
rakéta-hajtóanyag motorhoz való eljuttatásában.
Hindenburg léghajó (1937)
22
I.6. Légi közlekedés
Rakéta üzemanyagok
Az 1920-as években tesztelt rakétáktól kezdve, az
50-es években fellott kommunikációs muholdakon
és a 80-as években fejlesztett újrahasznosítható
urhajókon keresztül az ember világurben történo
terjeszkedéséig csodálatos technikai hostettnek
vagyunk tanúi. A sikeres urutazás feltételei közé
tartozik, hogy a rakéták hajtósebessége elég nagy
legyen ahhoz, hogy az urhajót átjuttassák a Föld
gravitációs terén. Az elso, 1926-ban fellott
rakéta üzemanyaga folyékony benzin volt és az
oxidáló anyagot is folyékony oxigéngáz formájában
vitte magával. Késobb többféle üzemanyagot és
oxidáló anyagot is teszteltek, folyékony és
szilárd formában egyaránt. Az urrepülogépek
folyékony hidrogént használnak üzemanyagként, de
a kilövéskor használatos motorok szilárd
hajtóanyagként alumíniumot, oxidálószerként pedig
hordozóanyaggal elegyített ammónium-perklorátot
használnak .
23
I.6. Légi közlekedés
Repülogép és rakéták szerkezeti anyagai
Ahogy a repülogépek tervezése a fáról és
szövetrol áttért az új típusú szerkezeti
anyagokra, a kémiai technológiák olyan anyagokat
kínáltak fel, amelyek találkoztak a tervezési
igényekkel. Alumíniumot és titánt használva
különbözo fémötvözeteket fejlesztettek ki a
repülogépekhez, hogy erosek, könnyuek, hoállóak
és rozsdamentesek legyenek. Az extrém muködési
körülmények miatt a rakétáknak speciális
követelményei vannak a szerkezeti anyaggal
szemben pl. az urhajót a visszatéréskor a magas
homérséklettol egy speciális kerámiaburkolat
védi, melyet cirkóniummal módosított
szilícium-dioxid kompozitból(összetett anyagok,
amelyek két vagy több különbözo szerkezetu,
méretben elkülönülo anyagkombinációkból épülnek
fel) készítenek.
Boeing 707 (1958)