CONTRIBU Ţ II ALE CHIMIEI LA EVOLU Ţ IA SOCIET ĂŢ II OMENE Ş TI

1. I. ENERGIA ŞI TRANSPORTUL Chimiştii şi inginerii chimişti au adus un aport însemnat la procesul de dezvoltare în domeniile energiei şi transportului. Evoluţia acestora ne permite sǎ trǎim şi sǎ dominǎm viaţa pe Pǎmânt, la sol şi în aer, şi chiar sǎ cǎlǎtorim în spaţiu. În secolul al XIX-lea, oamenii îşi încǎlzeau casele cu lemne sau cǎrbuni, foloseau pentru iluminat lanterne pe bazǎ de kerosen sau lumânǎri, şi cǎlǎtoreau pe uscat cu trenul, cu calul sau pe jos, sau pe apǎ cu barca. În ultimele douǎ secole, necesarul de energie a crescut în ritm alert. Chimia a oferit noi surse de energie, precum combustibilii lichizi şi bateriile, şi a realizat noi tehnologii de conversie a acesteia. Cercetările în domeniul chimiei au contribuit la îmbunǎtǎţirea materialelor pentru automobile, avioane, nave spaţiale şi drumuri, a permis dezvoltarea transporturilor. Chimia a revoluţionat modul de viaţǎal oamenilor prin realizarea de noi tehnologii de extracţie şi prelucrare a resurselor naturale, precum şi noi materiale sintetice. CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTI I.1. Surse de energie Utilizarea cǎrbunelui ca sursǎ de energie Exploatarea şi prelucrarea petrolului Energia nuclearǎ Surse alternative I.2. Stocarea energiei electrice şi surse de energie portabile Baterii de unicǎ folosinţǎ Baterii reîncǎrcabile I.3. Materiale pentru drumuri şi poduri Beton Asfalt Metale şi aliaje Tehnologii de întreţinere şi reparare I.4. Combustibili petrochimici Benzina, motorina Aditivi pentru combustiblili Catalizatori I.5. Automobile Materiale avansate, care asigurǎ confortul şi siguranţa Componente din material plastic Anvelope şi alte componente din cauciuc I.6. Aeronautică Baloane cu aer cald Heliu Combustibil pentru rachete Materiale de construcţii pentru nave şi rachete

2. CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTI I. ENERGIA ŞI TRANSPORTUL Cronologie 1882 Prima centralǎ energeticǎ pe cǎrbune furnizeazǎ electricitatea în gospodǎrii. 1884 Germanul Gottlieb Daimler construieşte prima maşinǎ pe benzinǎ, cu motor cu piston şi aprindere cu scânteie. 1902 Asfaltul folosit la pavarea drumurilor este realizat pe bazǎ de ţiţei. 1913 Cracarea termicǎ a hidrocaburilor creşte producţia benzinei din ţiţei. 1921 Thomas Midgley, Jr. foloseşte tetraetil- plumbul ca aditiv antidetonant în benzinǎ. 1936Francezul Eugene Houdry dezvoltǎ cracarea cataliticǎ a petrolului pentru a produce benzina cu cifrǎ octanicǎ ridicatǎ. 1947 Americanul B. F. Goodrich introduce primele anvelope fǎrǎ camerǎ. 1949 Eveready Battery Co. minimizeazǎ bateriile alcaline. 1954 Primul panou solar pe bazǎ de siliciu este realizat în laboratoarele Bell. 1958 Apar avioanele Boeing 707 cu propulsie şi începe reformarea transportului aerian. 1970Introducerea combustibililor fǎrǎ plumb; începe retragerea progresivǎ a benzinelor cu conţinut de plumb. 1975 Combustibilii pe bazǎ de catalizatori încep sǎ fie utilizaţi pe scarǎ largǎ. 1980-1990 Bateriile cu ioni de litiu devin uzuale pentru alimentarea telefoanelor mobile şi a laptopurilor. 1981 Nava spaţialǎ Columbia devine prima navǎ reutilizabilǎ din lume. Prima centralǎ energeticǎ pe cǎrbune Automobilul Daimler Şosele asfaltate Thomas Midgley Jr. Eugene Houdry cu modelul de catalizator Posterul formal al anvelopelor fǎrǎ camerǎ ale lui Goodrich Primul panou solar pe bază de siliciu Boeing 707 Principiul acţiunii catalizatorilor Principiul de funcţionare a bateriei cu ioni Li+ Nave spaţiale

3. CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTII. ENERGIA ŞI TRANSPORTUL I.1. Surse de energie Utilizarea cărbunilor ca sursă de energie În SUA, cărbunii au fost folosiţi ca principală sursă de energie, înlocuind lemnul, până în anii 1890. Prima centrală electrică pe cărbuni a fost construită în 1882. Aceasta genera aburi care, la rândul lor, acţionau asupra generatorului electric. În 1884 Charles Parsons a realizat prima turbină cu aburi, de viteză mare şi mult mai eficientă. Până în anii 1920, utilizarea cărbunilor sub formă de pulbere a condus la creşterea eficienţei şi la reducerea aerului necesar pentru combustie. Furnalul cu ciclon utilizat în anii 1940 folosea cărbuni cu putere calorică mai mică, dar care produceau mai puţină cenuşă.În ultimii ani, s-au dezvoltat tehnologii bazate pe arderea pulberii de cărbune existente ca reziduu la extracţia cărbunilor, tehnologii care s-au dovedit a fi mai puţin poluante. Charles Parsons Turbina cu abur a lui Parsons (1907) Producţia şi exploatarea petrolului Descoperirea marelui zăcământ de petrol Spindletop din Texas în 1901 şi evoluţia industriei de automobile au dus la înlocuirea în 1951 a cărbunilor, ca principală sursă de energie, cu petrolul. Tehnologia chimică de rafinare a ţiţeiului, în scopul separării diferitelor fracţii, a suferit continuu îmbunătăţiri, începând de la simpla distilare la presiune atmosferică, la distilarea la presiune scăzută şi ajungând în final la cracarea termică şi cea catalitică. Chimia are un cuvânt important de spus nu numai în prelucrarea petrolului, dar şi în exploatarea acestuia: dispozitivele de forare au la bază burghiuri cu cap de diamant şi folosesc diferiţi lubrifianţi, iar extracţia ţiţeiului din marnă se realizează folosind o combinaţie dereactivi chimici şi abur. Procesul secundar de extracţie a ţiţeiului se realizează prin pomparea în zăcământ a dioxidului de carbon sub presiune sau a unei soluţii apoase. Energia nucleară Primul reactor nuclear a fost realizat în 1942, în scop militar. Utilizarea energiei nucleare în scopuri paşnice a început în 1951, odată cu lansarea programului “Atomi pentru pace” de către preşedintele Eisenhower. Chimia a jucat un rol important în producerea de materiale radioactive, folosite ca şi combustibili pentru reactoare, şi dispozitive pentru controlul fluxului de neutroni din reactoarele nucleare, precum şi în procesarea şi dezactivarea combustibililor radioactivi epuizaţi şi a deşeurilor radioactive,protecţia mediului şi minimalizarea efectelor negative rezultate din expunerea la emisii radioactive. Surse alternative de energie Metodele curate, nepoluante, de obţinere a energiei, care folosesc mori de vânt, hidrocentrale sau centrale geotermale, însumate acoperă la ora actuală mai puţin de 1% din necesarul mondial de energie. Utilizarea acestor metode se prevede însă a fi tot mai largă, ca urmare a considerentelor de ordin economic şi de protecţie a mediului. Chimia a făcut posibilă utilizarea panourilor pentru captarea energiei solare, a elicelor foarte uşoare din fibre de carbon pentru morile de vânt, a turbinelor din metal şi beton pentru centrale hidroelectrice şi a materialelor rezistente la coroziune utilizate în exploatarea energiei geotermale.

4. CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTII. ENERGIA ŞI TRANSPORTUL I.2. Stocarea energiei electrice şi surse de energie portabile Baterii de unicǎ folosinţǎ Stocarea de energie electricǎ a fost posibilǎ datoritǎ lui Alessandro Volta, ale cǎrui cercetǎri au dus la apariţia bateriilor la sfârşitul secolului al XVIII-lea. Chimia a contribuit ulterior la îmbunǎtǎţirea calitǎţii acestora. Bateria solidǎ de tip carbon-zinc, apǎrutǎîn 1890, a fost îmbunǎtǎţitǎ pe baza modelului Leclanché realizat anterior. A fost produsǎîn scop comercial pentru folosirea în lanterne şi este utilizatǎşi astǎzi. În 1949 a apǎrut o nouǎ pastǎ alcalinǎ folositǎîn acest tip de baterie, care a dus la prelungirea vieţii acestor baterii şi a permis miniaturizarea lor. Aceastǎ baterie alcalinǎ a cunoscut în scurt timp numeroase aplicaţii în alcǎtuirea dispozitivelor electronice portabile şi a camerelor de luat vederi. Modelele mai noi de baterii folosesc oxid de argint, oxid de mercur, sau litiu. Bateria uscatǎ carbon-zinc Baterii reîncǎrcabile Baterii reîncǎrcabile Acumulatorul plumb–acid sulfuric, datând din 1859, a constituit unul dintre primele dispozitive pentru producerea curentului electric printr-o reacţie chimicǎ controlatǎ. Îmbunǎtǎţit continuu, acumulatorul plumb-acid a constituit mult timp tipul de baterie dominant folosit pentru automobile şi camioane. Bateria reîncǎrcabilǎ nichel-cadmiu, construitǎ pentru prima oarǎîn 1899, era prea costisitoare pentru a fi competitivǎ comercial. Preocupǎrile moderne s-au concentrat pe utilizarea litiului. Dupǎ o încercare eşuatǎ de utilizare a litiului metalic în anii 1980, bateriile pe bazǎ de ioni Li+ sunt acum larg utilizate în telefoanele mobile şi laptopuri.

5. CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTI I. ENERGIA ŞI TRANSPORTUL I.3. Materiale de construcţii Betonul Construcţia intensǎ de autostrǎzi în SUA în anii 1950 a depins în mare parte de caracteristicile materialelor folosite (rezistenţǎşi durabilitate) la construcţia drumurilor şi podurilor. Cimentul Portland, produs pentru prima oarǎîn 1824 şi patentat ca beton armat de francezul Joseph Monier în 1877, se solidificǎ încet datoritǎ unei reacţii chimice complexe, timp în care pasta de ciment umple golurile dintre particule şi structurile de rezistenţǎ. Durabilitatea şi rezistenţa sa depind de controlul riguros al procesului de fabricare a cimentului.Folosirea unor aditivi chimici în amestecul iniţial de beton poate duce la reducerea contractǎrii şi la îmbunǎtǎţirea rezistenţei betonului faţǎ de agenţii externi. Asfaltul Asfaltul este un material de construcţie larg utilizat pentru drumuri datoritǎ costului scǎzut şi avantajelor prin performanţele oferite. Asfaltul natural a fost descoperit în 1595, dar nu a fost folosit la pavarea drumurilor decât în 1902, în amestec cu resturi de cǎrbune. Reziduul solid sau semisolid rezultat din procesul de rafinare a petrolului, cunoscut ca bitum, a înlocuit rapid asfaltul natural folosit la pavarea drumurilor. În ultimul timp, pentru a îmbunǎtǎţi proprietǎţile şi durabilitatea asfaltului,în compoziţia acestuia se adaugǎ polimeri sintetici. Tehnica de ultimǎ orǎ folositǎla producerea de asfalt superior, “Superpave”, de la acronimul pentru Superior Performing Asphalt Pavements, permite obţinerea unui asfalt care poate rezista la încǎrcǎturi mari şi la condiţii meteo vitrege. Metale şi aliaje Oţelul a devenit cel mai important material în realizarea structurilor pentru poduri, datoritǎ greutǎţii reduse, rezistenţei şi durabilitǎţii, uşurinţei de întreţinere şi construcţie, costurilor de ridicare reduse şi rezistenţei la dezastre naturale (inundaţii, cutremure). Tipurilenoi de oţel de înaltǎ performanţǎ, introduse în anii 1990, oferǎ rezistenţǎ mecanicǎşicorozivǎ superioarǎ. Protejarea structurilor din oţel utilizate în construcţii se poate realiza prin tehnologia metalizǎrii, care constǎînpulverizarea cu aluminiu sau zinc a unei suprafeţede oţel curǎţatǎ. Stratul protector format îşi pǎstreazǎ proprietǎţile circa 30 de ani. Tehnici de întreţinere şi reparaţie Infrastructura rutierǎ trebuie sǎ fie întreţinutǎ astfel încât sǎ nu sufere deteriorǎri semnificative pe timp îndelungat, indiferent de condiţiile climatice. Inovaţiile apǎrute în domeniul materialelor de construcţie şi întreţinere au dus la creşterea intervalelor de timp scurse între perioadele de refacere şi reparare a drumurilor. Aditivii de etanşare pentru ciment, asfalt şi oţel sunt importanţi pentru prelungirea duratei de viaţǎ a drumurilor. Alte chimicale şi materiale polimerice adǎugate au rol deliant pentru a spori performanţele drumurilor acoperite cu asfalt. De exemplu, materiale pe bazǎ de copolimeri stiren-butadienǎ-stiren reduc amprentarea asfaltului şi micşoreazǎ riscul apariţiei crǎpǎturilor.

6. CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢIII. ENERGIA ŞI TRANSPORTUL I.4. Combustibili petrochimici Obţinerea benzinei din ţiţei brut Pentru a îmbunătăţi randamentul extracţiei de benzină din ţiţei, iniţial a fost aplicat procesul de cracare termică (1913), prin care moleculele mari, din fracţiile mai grele din petrol, erau scindate în molecule mai mici, care se regăsesc în benzină. Deoarece temperaturile mari au condus la formarea unor produşi secundari nedoriţi, în anul 1928 a fost introdusă metoda distilării la presiune scăzută. Folosirea în procesul de cracare a unui catalizator inert (Eugene Houdry, 1936) a permis utilizarea unor temperaturi mai mici.În 1937,cracarea catalitică a devenit o metoda comercială care a revoluţionat în scurt timp procesul de rafinare a ţiţeiului. Rafinărie de petrol Aditivi pentru combustibili Primele motoare cu combustie internă au ridicat probleme de detonaţie în cazul folosirii unei benzine de calitate inferioară. În 1921, a fost adăugat pentru prima oară ca aditiv în benzine tetraetil-plumbul, determinând o funcţionare mai bună şi mai silenţioasăa motoarelor. Pentru măsurarea calităţii benzinei,în 1926 a fost introdusă scala bazată pe cifra octanică. Folosirea aditivilor cu plumb a fost redusă în anii 1970, din considerente de protecţie a mediului. În prezent, se adaugă alte componente pentru a creşte cifra octanică (eteri, alcooli), pentru a îmbunătăţi performanţele benzinei (inhibitori metalici), şi pentru a reduce frecarea şi implicit pentru creşterea duratei de viaţă a motoarelor (detergenţi). Unii aditivi sunt folosiţi în cazuri speciale, ca de exemplu metanolul, pentru prevenirea îngheţării combustibilulîn regiunile cu temperaturi scăzute. Convertoare catalitice Convertoarele catalitice în două faze au fost introduse în 1975 pentru a controla emisia de monoxid de carbon şi hidrocarburi. La scurt timp, o a treia componentă a fost adăugată pentru îndepărtarea oxizilor de azot din gazele de eşapament. Convertoarele catalitice declanşează o serie de reacţii chimice care se desfăşoară în contact cu un catalizator metalic (de obicei pe bază de platină). Oxizii de azot sunt convertiţi în azot şi oxigen, monoxidul de carbon este transformat în dioxid de carbon, iar hidrocarburile nearse sunt transformate în dioxid de carbon şi apă. Convertor catalitic în trei trepte

7. CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTII. ENERGIA ŞI TRANSPORTUL I.5. Automobile Materiale avansate pentru îmbunătăţirea designului, confortului şi siguranţei Automobilele secolului XXI se deosebesc de predecesoarele lor în ceea ce priveşte designul, confortul şi siguranţa. Becurile de far cu halogen permit o iluminare optimă pe timp de noapte. Coroziunea a fost drastic redusă datorită straturilor protectoare şi materialelor speciale utilizate. Lichidele de răcire circulă în sisteme închise. Sticla securizată pentru geamurile automobilelor a fost introdusă încă din 1914. În prezent geamurile sunt acoperite cu polimeri speciali, pentru a oferi izolaţie fonică şi protecţie împotriva radiaţiilor UV. Introducerea fibrelor de polimer în compoziţia centurilor de siguranţă (1960) şi a airbag-urilor (1996) au condus la creşterea siguranţei în utilizarea automobilelor. Componente din plastic Reducerea greutăţii automobilelor prin înlocuirea unor componente metalice cu unele din plastic şi descoperirea unor noi materiale folosite în industria de profil au fost posibile datorită realizărilor în domeniul chimiei. După al doilea război mondial, producătorii de automobile au început să folosească polimeri sintetici obţinuţi din petrol, datorită rezistenţei mecanice şi rezistențeiacestora faţă de factorii de mediu. După criza de energie din anii 1970, au fost căutate şi alte alternative pentru înlocuirea componentelor din metal. Problemele de design includ fabricarea unor elemente de caroserie fabricate prin injectare în forme, componente termoplastice, ţesături din fibre pe bază de polipropilenă care nu îşi pierd culoarea la acţiunea luminii UV, vopsele speciale, straturi de protecţie şi adezivi. Fibre de polipropilenă Anvelope Produsele din cauciuc natural au apărut în anii 1800, dar nu au fost utilizabile multă vreme, datorită înmuierii sau întăririi lor exagerate, în funcţie de temperatura exterioară. În 1839, Charles Goodyear a inventat procesul de vulcanizare a cauciucului natural, adăugând sulf unor compuşi nesaturaţi. Acest proces de bază este încă folosit, însoţit de adăugarea unor acceleratori şi stabilizatori. Începând din 1945, cauciucul sintetic a fost produs la nivel comercial. Odată cu creşterea cererii de anvelope au fost aduse alte îmbunătăţiri, cum ar fi: utilizarea unei camere gonflabile pentru înlocuirea cauciucurilor pline, introducerea unor fire din fibre naturale sau sintetice ca şi ranforsament, adăugarea unor materiale pentru reducerea uzurii, ajungându-se în final la anvelopele fără cameră.

8. CONTRIBUŢII ALE CHIMIEI LA EVOLUŢIA SOCIETĂŢII OMENEŞTI I. ENERGIA ŞI TRANSPORTUL I.6. Aeronautica Baloane cu aer cald Începând cu anul 1783, când a fost lansat primul balon cu aer cald încălzit cu o flacără deschisă şi pilotat de către un om, acest domeniu s-a dezvoltat intens. Aerul cald a fost curând înlocuit cu hidrogen, procesul fiind astfel mai uşor de controlat. Zborul cu balonul cu aer cald a devenit un sport foarte popular, azi având peste 5000 de practicanţi în SUA şi Marea Britanie. Chimia a contribuit prin dezvoltarea unor materiale plastice termorezistente, durabile şi ieftine, folosite la baloane şi a făcut posibilă propulsia acestora cu propan lichid. Heliul Cu toate că baloanele cu hidrogen, cum ar fi celebrul Hindenburg (1937), aveau structuri rigide, inflamabilitatea lor a constituit mereu un factor de risc. În 1905, doi chimişti au descoperit în Kansas zăcământ natural de heliu, ceea ce a dus la răspândirea acestui gaz nobil. În timpul primului război mondial, heliul a fost extras, stocat şi transportat în cantităţi mari, iar în al doilea război mondial baloanele cu heliu escortau vapoarele cu trupe şi provizii în preajma submarinelor. În anii 1950, heliul a fost folosit ca mediu inert pentru sudură în construcţia rachetelor şi, alături de combustibili, la propulsia acestora. Dezastrul din Hindenburg (1937) Combustibili pentru rachete De la primele rachete realizate şi testate în anii 1920, până la sateliţii de comunicare din anii 1950 sau la naveta spaţială reutilizabilă din anii 1980, călătoriile omului în spaţiu constituie practic un pas uriaş, posibil prin realizările din domeniul ingineriei. Succesul călătoriei în spaţiu depinde în mare măsură de viteza de decolare a rachetelor, care ajută la învingerea forţei gravitaţionale. Prima rachetă a fost lansată în 1926, folosind un combustibil lichid cu benzină în componenţă şi oxigen lichefiat ca agent oxidant. De atunci au fost folosiţi diferiţi combustibili şi diferiţi oxidanţi, lichizi sau solizi. Navetele spaţiale folosesc hidrogen lichid ca şi combustibil, însă motoarele de lansare folosesc un combustibil solid format din aluminiu şi perclorat de amoniu ca agent oxidant/liant. Materiale pentru construcţia avioanelor şi rachetelor Construcţia avioanelor a evoluat de la lemn şi pânză, la materiale sofisticate, realizate cu ajutorul diferitelor tehnologii chimice, materiale ce îndeplineau cerinţele industriei de profil. Au fost realizate diferite aliaje uşoare, pe bază de titan şi aluminiu, pentru construcţia de avioane. Acestea oferă rezistenţă mecanică, termică şi chimică (la coroziune) foarte bună. Rachetele sunt construite din materiale speciale datorită condiţiilor extreme la care sunt expuse. Un exemplu concret, este stratul de pe navetele spaţiale, care le protejează faţă de temperaturile înalte în momentul reintrării în atmosferă. Stratul acesta este realizat din fibre de siliciu (obţinute din SiO2, prin tratamente speciale). Folosirea unui material compozit exotic, pe bază de zirconiu, în acelaşi scop nu a dat rezultate satisfăcătoare.