//////

Archive for the ‘Przyroda nauczycielem’ Category

NIEBYWAŁY POSTĘP TECHNICZNY

Druga połowa XX wieku charakteryzuje się niebywałym postępem technicznym. Nagromadzona przez tysiąclecia cząstkowa wiedza poznaw­cza zaowocowała niezwykłymi wynalazkami wykorzystującymi dla celów technologicznych prawa przyrody. Prawa te, głównie prawa fizyczne, istniały zawsze, ale człowiek w życiu codziennym posługiwał się wyłącznie efektem tych praw. Na zasadzie „prób i błędów” dopracowano się fragmentarycznych procesów technologicznych, często nie umiejąc wyjaś­nić przyczyn takiego lub innego zachowania się surowców naturalnych. One bowiem będą podstawowym nurtem przedstawionej czytelnikowi problematyki. I nie ma w tym nic dziwnego, bo znakomita większość otaczającego nas świata nieorganicznego zbudowana jest nie z substancji prostych – czystych pierwiastków – a z najprzeróżniejszych ich połączeń, zwanych minerałami (od słowa mineralis, mina – sztolnia) lub skałami.

No Comments »

NATURALNE TWORY

Opisując częstokroć przepiękne naturalne utwory mineralne o ogrom­nym bogactwie form krystalicznych, barw i odcieni oraz różnej twardości i innych własnościach fizycznych, próbowano czasem wytłumaczyć sobie ich pochodzenie. Tak rodziły się opisowe nauki o Ziemi: mineralogia, zajmująca się poszczególnymi czystymi związkami chemicznymi, petro­grafia (petra – skała), zajmująca się połączonymi zbiorami minerałów czyli skałami i krystalografia opisowa, wyróżniająca zewnętrzne formy (postacie) tworzących się kryształów. Wykorzystywanie metali szlachet­nych oraz pięknych kryształów takich jak diamenty, szafiry, rubiny i inne do wytwarzania ozdób, glin do formowania ceramiki, kolorowych tlenków metali do dekoracji tych wyrobów, od dawna wskazywało, że własności większości z nich zależą od temperatury. Stwierdzono, że niektóre z nich poddane działaniu temperatury pozwalają się przekształcać, a po wy- studzeniu wracają do pierwotnego wyglądu (złoto, srebro, platyna, miedź), inne nie poddają się osiąganym wówczas temperaturom (szafir, rubin), a jeszcze inne ulegają przemianie bezpowrotnej (piryt, gips, kalcyt).

No Comments »

TWORZĄCE SIĘ PODSTAWY

Tak rodziła się alchemia, stanowiąca korzenie dzisiejszej technologii. Groma­dzono wiedzę faktograficzną, ale nie umiano jej racjonalnie wytłumaczyć. Niemniej jednak od początku dążono do sztucznego wytwarzania metali i kamieni szlachetnych, poszukiwano metod otrzymania „kamienia filozo­ficznego”.Tworzące się w XVI i XVII wieku podstawy fizyki i chemii eksperymentalnej pozwoliły na próby wniknięcia w naturę otaczającej człowieka materii. Zaczęto kolejno odkrywać proste składniki tej materii nazywając je pierwiastkami. Większość z nich odkryto w XIX w., ale ostatnie 50 dopiero w wieku XX. Równocześnie z poznaniem składników prostych zaczęto wnikać do wnętrza minerałów, wyjaśniać ich skład chemiczny i wiązać z nim własności fizyczne. Tak zrodziły się współczesna chemia, mineralogia, krystalochemia i geochemia, dziedziny wiążące cechy minerałów z ich składem i genezą tzn. warunkami powstawania w przyrodzie.

No Comments »

Z RÓŻNYCH DZIEDZIN

Wiedza ta pozwoliła na postępujący od XIX wieku rozwój mineralogii eksperymentalnej – badań nad syntezą minerałów oraz mineralogii stosowanej dającej podstawy rozwoju nowoczesnej technologii przemysłowej precyzyjnie przewidującej zachowanie się składników mineralnych lub pierwiastków w procesie przetwarzania.Z tych różnych dziedzin wiedzy w latach 50. naszego stulecia zaczęła się rodzić nowa, znacznie obszerniejsza dziedzina – inżynieria materiałowa łącząca w sobie wiedzę różnych dziedzin, potrzebną do wytwarzania nowych materiałów o ściśle programowanych własnościach fizycznych. Powstałą sytuację najlepiej obrazuje drzewo genealogiczne przedstawione na rysunku 1. Dół tego drzewa – korzenie – stanowią nauki podstawowe, górę – koronę – inżynieria materiałowa.

No Comments »

ZACIERANIE SIĘ GRANIC

Obecnie w technice powstała sytuacja zacierająca granice dawniej ściśle oddzielające od siebie zakresy poszczególnych nauk chemii, fizyki, krystalografii, mineralogii i technologii. Wiedza ujedn lca się dzięki coraz pełniejszemu poznaniu fizycznych praw przyrody. Okazuje się równocześnie, że w najbardziej wysublimowanych technologiach ostatnich lat podstawową rolę kształtującą własności materiałów odgrywają doda­wane, często w małych ilościach, poszczególne pierwiastki. Kto chce rozumieć postęp techniczny w takiej dziedzinie jak ceramika, elektronika, czy energetyka musi znać dobrze układ okresowy pierwiastków. Oprócz znanego i powszechnie stosowanego tabelarycznego układu okresowego opracowanego przez Mendelejewa, w inżynierii materiałowej bardzo pomocnym wydaje się, mało popularny ale logiczny i łatwy w zrozumieniu, spiralny układ okresowy Simsona i Szymańskiego.

No Comments »

BLIŻSZE ZAPOZNANIE

Po bliższym zapoznaniu się z tym układem łatwiej zauważyć można technologiczne powiązania pierwiastków różnych grup i podgrup oraz logiczną lokalizację podgrup lantanowców i aktynowców (Rys. 2). W układzie tym spirala opisana jest na narastających liczbach atomowych pierwiastków poczynając od wodoru (1) kończąc na eka-radionie (118). Jednocześnie zachowuje on w układzie osiowym grupy układu Mendelejewa. Wyróżnienie kolorami odmiennych charakterem pierwiastków ułożonych spiralnie ułatwia zrozumienie układu oraz wykazuje jego związek z prawami przyrody i technologiami które się z nich zrodziły: Centralna pozycja krzemu (14 – Si) wynika z tego, że jest on najpowszechniejszym w skorupie ziemskiej pierwiastkiem stałym (28%), tworzącym największe bogactwo minerałów spotykanych w skorupie ziemskiej i wykorzystywanych w technice. Jednocześnie krzem jest najpowszechniej stosowanym półprzewodnikiem elementarnym (pierwiast­kowym) we współczesnej elektronice.

No Comments »

NAJTRWALSZA STRUKTURA

  1. Zlokalizowany pod krzemem węgiel (6 – C) daje najtrwalszą strukturę znaną w przyrodzie pod postacią minerału – diamentu, będącego również, w podwyższonych temperaturach, półprzewodnikiem elementar­nym. Dalsze dwa analogi węgla w grupie IV B – german (32 – Ge) i cyna (50 – Sn) podobnie jak krzem, są półprzewodnikami elementarnymi o  strukturze diamentu.Posuwając się po osiach grup od środka układu (od najmniejszych liczb atomowych ku większym) przechodzi się od pierwiastków najczęst­szych w skorupie ziemskiej do coraz rzadszych. Reguła ta nie potwierdza się tylko dla gazów szlachetnych, które uchodzą do atmosfery oraz najlżejszych metali: Li (3), Be (4) i B (5).

 

No Comments »

UJĘCIE SPIRALNE

Ujęcie spiralne układu pierwiastków według podobieństwa ich charak­teru chemicznego grupuje je zgodnie z potencjalną użytecznością techno­logiczną: Obszar centralny I – trójkąt równoboczny (7 – N, 14 – Si, 5 – B z 14 – C w środku) – grupuje podstawowe składniki materiałów supertwar- dych takich jak diament C, bor B, azotek węgla C3N4, azotek boru BN, azotek krzemu Si3N4 i węglik krzemu SiC. Większość tych związków to jednocześnie doskonale półprzewodniki.Obszar centralny II – trójkąt (14 – Si, 13 – Al, 8 – O, 7 – N) – to obszar całej gamy nowoczesnych tworzyw ceramicznych tzw. sialonów, stosowanych do wytwarzania elementów silników ceramicznych i do innych celów techniki końca XX wieku.

No Comments »

UTRZYMANIE ZASADY

Obszar VI – oddalony od centrum spirali ku górze, grupuje metale szlachetne, słabo aktywne chemicznie. Obszar VII – po lewej stronie układu – grupuje pozostałe półprzewodni­ki elementarne, o strukturze regularnej diamentu, german (32 – Ge) i cynę (50 – Sn) oraz całą gamę podstawowych związków półprzewodnikowych dobrej wytrzymałości mechanicznej i wysokiej ruchliwości nośników, stanowiącej podstawę techniki elektronicznej. Wszystkie^ te związki powstają na zasadzie łączenia się pierwiastków równoodległych od centralnej grupy półprzewodników elementarnych (IVB): A'”BV, AnBvl A’Bvn (związki grup: IIIB z VB, IIB z IVB i IB z VIIB). Utrzymanie tej zasady daje związki o strukturze analogicznej do struktury typu diamentu, charakterystycznej dla pierwiastków grupy IVB (C, Si, Ge, Sn). Jest to struktura o koordynacji czworościennej.

No Comments »

TYP STRUKTURY

Dla związków bywa ona nazywana strukturą typu sfalerytu (blenda cynkowa), a różni się od struktury typu diamentu tylko tym, że w miejsce jednego rodzaju atomu występują w niej naprzemianlegle dwa rodzaje atomów. Niektóre z tych związków mogą również, choć znacznie rzadziej, krystalizować w strukturze heksagonalnej typu wurtzytu (np. ZnS). Stałe sieciowe tych półprzewodników wzrastają proporcjonalnie do oddalania się składników struktury od centrum układu:C – 356,0 pm (diament)Si – 542,0 pm Ge – 564,7 pm Sn – 649,1 pm.Znając układ okresowy pierwiastków i obszary technologiczne ich zastosowań na tle zakresu działania inżynierii materiałowej (rys. 1) można stwierdzić, że cała współczesna technologia ściśle wiąże się z własnościami substancji prostych – pierwiastków i ich związków organizowanych w różnorodne struktury krystaliczne lub przestrzenne.

No Comments »

WP Login