ჟანგბადი ლითონის შენადნობებში

ადრეული დაკვირვებები და ჟანგბადის მნიშვნელობა

ქიმიური ელემენტის, როგორც ჟანგბადის აღმოჩენამდე, მისი თვისებები და გავლენა წვასა და სუნთქვაზე პრაქტიკულად ცნობილი იყო. ხალხმა დიდი ხანია იცოდა, რომ ცეცხლი და სიცოცხლე ჰაერზე იყო დამოკიდებული, მაგრამ ჟანგბადის ზუსტი როლი უცნობი რჩებოდა - ჯერ კიდევ არ იყო გასაგები, რომ ჟანგბადი იყო ამ მოვლენების მთავარი ინგრედიენტი.

• ანტიკურობა:
  უკვე უძველეს დროში, ისეთი მოაზროვნეები, როგორიცაა არისტოტელე, ცდილობდნენ ჰაერის შემადგენლობის აღწერას. ითვლებოდა, რომ ის ერთგვაროვანი იყო და წვის და სუნთქვის პროცესები დაკავშირებული იყო „სიცოცხლის მომცემი ეთერის“ ნაწილთან.
• ფლოგისტონის თეორია:
  მე-17 და მე-18 საუკუნეებში შემუშავდა ფლოგისტონის თეორია, რომლის მიხედვითაც აალებადი ნივთიერებები შეიცავდა წვის დროს გამოყოფილ „ფლოგისტონს“. თუმცა, ამ ჰიპოთეზის დამადასტურებელი მტკიცებულებები არ არსებობდა.

ჟანგბადის აღმოჩენა

ჟანგბადის, როგორც ქიმიური ელემენტის აღმოჩენას რამდენიმე მეცნიერი მიეწერება, რომლებმაც დამოუკიდებლად ჩაატარეს კვლევა ჰაერის შემადგენლობასა და წვის პროცესზე.

1. კარლ ვილჰელმ შილი (1772-1773)

შვედი ქიმიკოსი კარლ ვილჰელმ შელე იყო პირველი, ვინც ჟანგბადი გამოყო ვერცხლისწყლის ოქსიდების (HgO) და ნიტრატების გაცხელებით. მან მას „ცეცხლოვანი ჰაერი“ უწოდა, რადგან დააკვირდა, რომ ის ხელს უწყობდა წვას. თუმცა, მისი ნაშრომი გამოქვეყნდა მხოლოდ 1777 წელს, სხვა ქიმიკოსების აღმოჩენებიდან რამდენიმე წლის შემდეგ.

2. ჯოზეფ პრისტლი (1774)

ინგლისელმა ქიმიკოსმა ჯოზეფ პრისტლიმ დამოუკიდებლად გამოყო ჟანგბადი ვერცხლისწყლის ოქსიდის გაცხელებით. მან ახლად აღმოჩენილ გაზს „დეფლოგისტიცირებული ჰაერი“ უწოდა, რადგან ის ჩვეულებრივ ჰაერზე ბევრად უკეთ ინარჩუნებდა წვას. პრისტლი იყო პირველი, ვინც გამოაქვეყნა თავისი აღმოჩენები, რამაც მას ფართო აღიარება მოუტანა.

3. ანტუან ლავუაზიე (1777)

ფრანგმა ქიმიკოსმა ანტუან ლავუაზიემ მნიშვნელოვანი როლი ითამაშა ჟანგბადის ბუნების გაგებაში. მან უარყო ფლოგისტონის თეორია ( ფლოგისტონი ჰიპოთეტური ნივთიერებაა, რომელიც, მე-17 საუკუნის თეორიის თანახმად, ყველა აალებად მასალაში იყო. წვის დროს, ფლოგისტონი ჰაერში გამოიყოფა, რის შედეგადაც ნაცარი ან წიდა „სუფთა“ მასალად რჩება. ეს თეორია მე-18 საუკუნემდე ჭარბობდა) და აჩვენა, რომ ჟანგბადი ქიმიური ელემენტია, რომელიც მონაწილეობს წვასა და სუნთქვაში. ლათინურად ჟანგბადს ეწოდება „oxygenium “, რაც ბერძნული სიტყვებიდან „oxys“ (მჟავე) და „genes“ (წარმომქმნელი) მომდინარეობს. ეს სახელი ანტუან ლავუაზიემ შემოიღო, რომელიც შეცდომით თვლიდა, რომ ჟანგბადი ყველა მჟავის ძირითადი კომპონენტია. ქიმიური ელემენტების კლასიფიკაციაში ჟანგბადი აღინიშნება სიმბოლოთი O , ხოლო მისი ლათინური სახელწოდება გამოიყენება სამეცნიერო ნომენკლატურაში, განსაკუთრებით ქიმიური ნაერთების კონტექსტში (მაგ., „oxidum“ - ოქსიდი).

ჟანგბადის კვლევის განვითარება

მისი აღმოჩენის შემდეგ, ჟანგბადის კვლევა დინამიურად განვითარდა, რასაც დიდი მნიშვნელობა ჰქონდა მეცნიერებისა და მრეწველობისთვის:

• მე-19 საუკუნეჟანგბადი ქიმიური და ბიოლოგიური კვლევების ცენტრალურ ელემენტად იქცა. აღმოჩნდა, რომ ის მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ცოცხალი ორგანიზმების სუნთქვასა და წვის პროცესებში.
• კრიოგენიკა1877 წელს ლუი პოლ კაიეტემ და რაულ პიქტემ გათხევადებული ჟანგბადი შექმნეს, რამაც მისი სამრეწველო გამოყოფისა და შენახვის გზა გახსნა.
• ინდუსტრიული რევოლუციაჟანგბადის გამოყენება დაიწყო მეტალურგიაში (ბესემერის პროცესი), მედიცინაში (ჟანგბადის თერაპია) და სამხედრო ტექნოლოგიაში.

ლითონის შენადნობებში ჟანგბადი ასრულებს როგორც დადებით, ასევე არახელსაყრელ როლს, რაც დამოკიდებულია მის კონცენტრაციაზე, ტექნოლოგიურ პირობებსა და შენადნობის თვისებებზე.

ჟანგბადის გავლენა შენადნობების თვისებებზე

ჟანგბადის არსებობის დადებითი ეფექტები

• დამცავი ფენების შექმნა:
  ზოგიერთ ლითონის შენადნობში, როგორიცაა ალუმინი, ტიტანი ან ქრომის შემცველი შენადნობები (მაგ., უჟანგავი ფოლადები), ჟანგბადი რეაგირებს ლითონთან თხელი ოქსიდის ფენის წარმოქმნით (მაგ., Al₂O₃, TiO₂, Cr₂O₃). ეს ფენები მკვრივია, გამძლე და მოქმედებს როგორც დამცავი ბარიერი შემდგომი დაჟანგვის ან კოროზია.
• გაუმჯობესებული წინააღმდეგობა მაღალი ტემპერატურის მიმართ:
  სითბოს მდგრადი შენადნობების შემთხვევაში, ოქსიდის ფენების (ქერცლების) არსებობა ზრდის დაჟანგვისადმი მდგრადობას მაღალ ტემპერატურაზე, რაც მნიშვნელოვანია ენერგეტიკისა და ავიაციის ინდუსტრიებში.
• სტრუქტურული სტაბილიზაცია:
  კონტროლირებადი რაოდენობით ჟანგბადს შეუძლია ლითონის ოქსიდის შენადნობების, როგორიცაა კერამიკა და ლითონის შენადნობები (ლითონ-კერამიკული კომპოზიტები), სტრუქტურის სტაბილიზაცია, მათი მექანიკური სიმტკიცისა და აბრაზიისადმი მდგრადობის გაზრდა.

ჟანგბადი - მისი არსებობის უარყოფითი შედეგები

• ოქსიდის ჩანართების ფორმირება:
  ზოგიერთ შემთხვევაში, შენადნობებში ჟანგბადმა შეიძლება გამოიწვიოს ოქსიდის ჩანართების წარმოქმნა, რაც სტრუქტურული დეფექტებია. ამან შეიძლება შეამციროს ლითონის მექანიკური თვისებები, როგორიცაა სიმტკიცე და პლასტიურობა, და უარყოფითად იმოქმედოს მის დამუშავებაზე.
• შენადნობების სიმყიფე:
  ჟანგბადის ძალიან მაღალმა კონცენტრაციამ შეიძლება გამოიწვიოს ლითონის მსხვრევადობის გაზრდა, განსაკუთრებით ისეთ მასალებში, როგორიცაა ტიტანის შენადნობები, მაგნიუმის შენადნობები და ზოგიერთი ფოლადი. ჟანგბადით გამოწვეული მსხვრევადობა ამცირებს სტრუქტურების გამძლეობას და შეიძლება გამოიწვიოს ნაადრევი მარცხი.
• წარმოების პროცესებში არსებული პრობლემები:
  შენადნობების ჩამოსხმის ან შედუღების პროცესებში არსებულმა ჟანგბადმა შეიძლება გამოიწვიოს ფორიანობის წარმოქმნა, რაც ამცირებს პროდუქტის ხარისხს.

ლითონის შენადნობებში ჟანგბადის შემცველობის კონტროლი

შენადნობის ოპტიმალური თვისებების უზრუნველსაყოფად, მეტალურგიულ პროცესებში ჟანგბადის შემცველობის კონტროლი უმნიშვნელოვანესია:

• დეგაზაციის პროცესები:
  ლითონის დნობის დროს, ჟანგბადის შემცველობის მინიმიზაციის მიზნით, გამოიყენება ვაკუუმური ან ქიმიური დეგაზაცია.
• დეოქსიდანტების დამატება:
  მეტალურგიაში გამოიყენება ისეთი დანამატები, როგორიცაა ნახშირბადი, სილიციუმი ან მანგანუმი, რომლებიც რეაგირებენ ჟანგბადთან ოქსიდების წარმოქმნით, რომლებიც თხევადი ლითონისგან იხსნება.
• ჰაერის შეღწევისგან დაცვა:
  შენადნობების წარმოებისა და დამუშავების პროცესები ხშირად ხორციელდება დამცავ ატმოსფეროში, როგორიცაა არგონი ან აზოტი, დაჟანგვის თავიდან ასაცილებლად.

კონტროლირებადი ჟანგბადის შემცველობის მქონე შენადნობების მაგალითები

ალუმინის შენადნობები:

ალუმინის შენადნობების ზედაპირზე ოქსიდების წარმოქმნა იწვევს თხელი, მაგრამ ძალიან გამძლე დამცავი ფენის წარმოქმნას, რომელიც მნიშვნელოვნად ზრდის კოროზიისადმი მდგრადობას. ეს ფენომენი განსაკუთრებით გამოიყენება ანოდირებაში, ელექტროქიმიურ პროცესში, რომელიც აძლიერებს ამ ფენას და უზრუნველყოფს დამატებით თვისებებს, როგორიცაა ესთეტიკური დასრულება ან ზედაპირის სიმტკიცის გაზრდა. ალუმინის შენადნობები გამოიყენება აერონავტიკის, საავტომობილო და სამშენებლო ინდუსტრიებში მათი სიმსუბუქის, გამძლეობისა და დამუშავების სიმარტივის გამო.

ტიტანის შენადნობები:

კონტროლირებადი რაოდენობით ჟანგბადი ზრდის ტიტანის შენადნობების მექანიკურ სიმტკიცეს, განსაკუთრებით ისეთ შემთხვევებში, როდესაც ექსტრემალურ პირობებში მაღალი სიმტკიცეა საჭირო, მაგალითად, აერონავტიკაში, მედიცინასა და ქიმიურ მრეწველობაში. თუმცა, ჭარბმა ჟანგბადმა შეიძლება გამოიწვიოს მსხვრევადობა, რაც ზღუდავს მასალის პლასტიურობას. ამ უარყოფითი ეფექტების თავიდან ასაცილებლად, წარმოების პროცესები მკაცრად კონტროლდება, განსაკუთრებით დნობისა და მეტალურგიული დამუშავების დროს.

უჟანგავი ფოლადები:

უჟანგავ ფოლადში ქრომის არსებობა (მინიმუმ 10,5%) იწვევს მის რეაქციას გარემოს ჟანგბადთან, რაც იწვევს თხელი, პასიურ ქრომის ოქსიდის ფენის წარმოქმნას. ეს ფენა მოქმედებს როგორც დამცავი ბარიერი, რომელიც თვითაღდგენადია - დაკაწრვის ან დაზიანების შემთხვევაში, ის რეაგირებს ჟანგბადთან და ხელახლა ყალიბდება. ეს თვისებები უჟანგავ ფოლადს ფასდაუდებელს ხდის ნოტიო, კოროზიულ და მაღალი ტემპერატურის გარემოში, როგორიცაა კვების, სამედიცინო და ქიმიური მრეწველობისთვის დამახასიათებელი გარემო.

მაგნიუმის შენადნობები:

მაგნიუმი და მისი შენადნობები უკიდურესად მსუბუქია, რაც მათ იდეალურს ხდის საავტომობილო, აერონავტიკისა და სამომხმარებლო ელექტრონიკის ინდუსტრიებში გამოსაყენებლად. თუმცა, ჟანგბადის სიჭარბემ შეიძლება გამოიწვიოს ამ შენადნობების დაჩქარებული დაჟანგვა, რაც იწვევს მათი მექანიკური თვისებების შემცირებას. ამიტომ, მაგნიუმის შენადნობების წარმოებისა და შენახვის დროს, ჟანგბადის ზემოქმედების შესამცირებლად გამოიყენება სპეციალური დამცავი საფარები ან კონტროლირებადი ატმოსფეროები.

სპილენძის შენადნობები:

სპილენძის შენადნობებში, როგორიცაა ბრინჯაო და თითბერი, ჟანგბადის არსებობამ შეიძლება გავლენა მოახდინოს მათ სტრუქტურასა და თვისებებზე. ბრინჯაოებში ჟანგბადის მცირე რაოდენობამ შეიძლება გააუმჯობესოს ჩამოსხმის უნარი, მაგრამ მისი სიჭარბე იწვევს ფორიანობას, სტრუქტურის შესუსტებას და ელექტროგამტარობის შემცირებას. ამიტომ, ჟანგბადის გარეშე სპილენძი გამოიყენება მაღალი ელექტროგამტარობის მოთხოვნით.

ნიკელის შენადნობები:

ჟანგბადი მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ნიკელის შენადნობების, როგორიცაა Inconel და Hastelloy , ზედაპირზე დამცავი ფენების ფორმირებაში , რომლებიც ფართოდ გამოიყენება მაღალტემპერატურულ და აგრესიულ ქიმიურ გარემოში. ნიკელის ოქსიდის ფენა ან მისი კომბინაციები ქრომთან უზრუნველყოფს შესანიშნავ კოროზიის და დაჟანგვისადმი მდგრადობას, რაც ამ მასალებს შეუცვლელს ხდის გაზის ტურბინებში, სამრეწველო ღუმელებსა და ქიმიურ რეაქტორებში.

კობალტის შენადნობები:

მედიცინაში გამოყენებულ ზოგიერთ კობალტის შენადნობში (მაგ., იმპლანტები), წარმოების პროცესში ჟანგბადის კონტროლირებადი დონის არსებობა ხელს უწყობს ოპტიმალური სიმტკიცისა და აბრაზიულობისადმი მდგრადობის მიღწევას. თუმცა, ჟანგბადის სიჭარბემ შეიძლება გამოიწვიოს არასასურველი მსხვრევადობა, რის გამოც ამ მასალების წარმოებისთვის გამოიყენება ისეთი პროცესები, როგორიცაა ვაკუუმური დნობა.

ცირკონიუმის შენადნობები:

ჟანგბადი ცირკონიუმის შენადნობების დაცვის ძირითადი ელემენტია, რომელიც ქმნის განსაკუთრებული გამძლეობის მქონე ცირკონიუმის ოქსიდის ფენას. ეს ფენა უზრუნველყოფს შესანიშნავ კოროზიისადმი მდგრადობას, განსაკუთრებით წყალხსნარ და ქიმიურ გარემოში, რაც ცირკონიუმს შეუცვლელს ხდის ბირთვულ და ქიმიურ მრეწველობაში. თუმცა, ჟანგბადის სიჭარბემ შეიძლება გამოიწვიოს მასალის სიმტკიცის მომატება და მოქნილობის შემცირება.

ეს მაგალითები აჩვენებს, თუ როგორ მოქმედებს ლითონის შენადნობებში ჟანგბადის რაოდენობის კონტროლი მათ თვისებებზე, რაც საშუალებას იძლევა მასალები მორგებული იყოს კონკრეტულ ტექნიკურ და გარემოსდაცვით მოთხოვნებზე.

ლითონის შენადნობებში ჟანგბადის არსებობა როგორც უპირატესობას, ასევე გამოწვევას წარმოადგენს. წარმოების პროცესებში ჟანგბადის კონცენტრაციის კონტროლი და მისი სასარგებლო თვისებების გამოყენებით მასალების შექმნა უმნიშვნელოვანესია. ჟანგბადის სათანადო მართვა საშუალებას იძლევა შეიქმნას მაღალი სიმტკიცის, კოროზიისადმი მდგრადობისა და სპეციფიკური საოპერაციო პირობებისადმი ადაპტირებადი შენადნობები.

რკინა Ქვანახშირი ქრომის ნიკელი ვანადიუმი მანგანუმის სილიკონი მოლიბდენის Wolfram სპილენძი ტიტანი ალუმინი კობალტი ნიობიუმი ფოსფორის გოგირდი ჟანგბადი აზოტის