«Из каких химических элементов состоят автомобили»
статья

СПб ГБПОУ «Автомеханический колледж»

Статья на тему:

«Из каких химических элементов состоят автомобили»

                                                                                                 Выполнила:

                                                                                                 Преподаватель химии

                                                                                                 Леонтьева Екатерина Сергеевна

                                                     Санкт-Петербург

                                                              2021 г. 

Аннотация.   Из 118 открытых на сегодняшний момент элементов Периодической системы Д.И. Менделеева активно в автомобилестроении применяется 29. В статье подробно раскрыта роль этих элементов, и их место в современных автомобилях. В настоящее время весьма актуальной проблемой является рассмотрение вопроса о сокращении использования вредных для человека и окружающей среды химических элементов и нахождение для них безопасных замен.

Ключевые слова: химия, химический элемент, автомобилестроение, автомобиль, экология.

Assembly (Монтаж)

Body/Chassis (Кузов/Шасси)

Body/Chassis, Fluids (Кузов/Шасси, Тех. жидкости)

Body/Chassis, Interior (Кузов/Шасси, Интерьер)

Electronics/Electrical System, Safety (Электроника/Электросистемы, Безопасность)

Emissions (Выбросы)

Fluids, Assembly (Тех. жидкости, Монтаж)

Fluids, Paint (Тех. жидкости, Краска)

Fluids, Safety (Тех. жидкости, Безопасность)

Paint (Краска)

Paint, Electronics/Electrical System (Краска, Электроника/Электросистемы)

Paint, Electronics/Electrical System, Fluids (Краска, Электроника/Электросистемы, Тех. жидкости)

Safety, Assembly (Безопасность, Монтаж)

Автомобиль – один из наиболее ярких символов нашей цивилизации – непременный элемент нашей сегодняшней и завтрашней жизни. Автомобиль настолько влился в нашу повседневность, что порой мы забываем, какой сложный и долгий путь прошло автомобилестроение до сегодняшнего дня. Развитие автомобильной промышленности за 130 лет чем дальше, тем больше ставило свои задачи перед самыми разнообразными областями науки и техники и вовлекало в свою орбиту достижения как фундаментальных, так и прикладных исследований. Химия сыграла в этом развитии одну из главных ролей, постоянно обеспечивая автомобилестроение новыми конструкционными материалами, усовершенствованными видами топлива, современными лакокрасочными покрытиями и т.д.  

Какие же химические элементы и где используются в современных автомобилях?
Рассмотрим таблицу Д.И. Менделеева, специально созданную химиками одной крупной компании по производству автомобильной продукции. Сотрудниками компании было проведено исследование и выявлено, что при производстве современных автомобилей используется 29 элементов Периодической системы.

Железо (Fe) входит в состав стали, из которой наиболее часто изготавливают кузов автомобиля. В зависимости от присутствия других химических элементов сталь может значительно менять свои свойства. Так хром (Cr) увеличивает коррозионную стойкость, повышает прочность и твердость, является основным компонентом при создании нержавеющей стали. Присутствие ванадия (V) повышает текучесть и порог прочности на разрыв. Ti (титан) делает выше прочность и плотность стали, улучшает обрабатываемость и коррозионную стойкость. Добавка молибдена (Мo) дает возможность улучшить прокаливаемость, повысить коррозионную устойчивость и снизить хрупкость. Даже обычная листовая сталь достаточно прочна и при этом весьма пластична. Что и требуется для изготовления внешних штампованных панелей кузова, которые у современных машин подчас весьма сложной формы.

Первое место в рейтинге наиболее часто встречающихся элементов в автомобиле занимает Al (алюминий). Этот металл находит все большее применение в изготовлении кузовов (обычно в виде сплава с примесями других элементов) и других конструкционных элементов. Алюминий существенно легче стали. Полностью сделанный из него кузов весит в среднем в два раза меньше стандартного стального, отнюдь не уступая ему в жесткости и прочности. Помимо этого, алюминий намного долговечнее — ржавчина ему фактически не страшна.

Магний (Mg) является привлекательным материалом для автомобильной промышленности, прежде всего из-за его легкого веса - на 36% легче на единицу объема, чем алюминий, и на 78% легче железа. При легировании магний имеет самое высокое отношение прочности к весу всех структурных металлов.

Для оцинковки кузова автомобиля с целью предотвращения коррозии, используется цинк (Zn). Производители обрабатывают как правило только днище автомобиля, наиболее уязвимое для коррозии место. Но услуга оцинковки всего кузова с целью продления срока его службы сейчас очень распространена.

Сталь, с добавкой бора (B) самая прочная из используемых в автомобильной индустрии (в 5 раз прочнее стали для внешних кузовных панелей), применяется некоторыми производителями автомобилей. Изготовленная из нее клетка безопасности салона позволяет сохранить жизненное пространство для пассажиров автомобиля в случае аварии. Из бористой стали, в частности, производятся передние и средние стойки, а также усилители дверей, обеспечивающие максимальную жесткость при боковом ударе и переворачивании автомобиля. Также бор, в составе наноразмерного нитрида бора («Микрокерамика» и «Белый графит») добавляют в смазочные масла. Особая кристаллическая структура обеспечивает этому материалу отличные смазывающие свойства, намного превосходящие графит.

В состав современных автомобилей входит около 120 килограмм деталей, сделанных из различных видов пластика. А пластик – это полимер, мономерами в котором выступают различные углеводороды. Углерод (С) – основной химический элемент всех пластиков.
Существует два базовых типа пластика, которые применяются в автомобилестроении – термопластики и термореактивные пластики. Термопластики плавятся от воздействия высокой температуры, а при остывании снова затвердевают.
Термореактивные пластики никогда не плавятся и не размягчаются от температуры (не меняют форму).
Термопластики – это название пластиков, состоящих из разделённых разветвлённых макромолекул, которые, однако, не связаны друг с другом.
Из-за своих многочисленных положительных свойств, термопластики являются наиболее часто используемыми пластиками в автомобильной индустрии.
Термопластики могут быть расплавлены и использованы снова много раз. Это важный аспект экологичности. Термопластики являются идеальным материалом для переработки. Новые детали могут быть сделаны из старых.

При изготовлении изделий из термореактивных пластиков происходит необратимая реакция. Эти пластики нельзя сваривать, растворять или растягивать, как эластомеры.
Термореактивные материалы очень прочные и стойкие к высокой температуре. Они, к примеру, используются в подкапотном пространстве, рядом с двигателем.

Хлор (Сl) является одним из компонентов термопластика поливенилхлорида (ПВХ).
Данный пластик твёрдый, гибкий, хорошо шлифуется, имеет хорошую сопротивляемость к растворителям. Виниловая составляющая даёт хорошую прочность на разрыв, некоторые поливинилхлоридовые пластики эластичные. Но все плюсы этого пластика меркнут перед существенными минусами. Изготовленные из ПВХ детали отслуживших свой срок машин с трудом поддаются переработке, а потому зачастую дробятся и зарываются либо сжигаются. Выделяющиеся и образующиеся при этом вещества отравляют всю округу.

Благодаря отличной способности меди (Cu) проводить электрический ток, ее применяют в системе электрооборудования автомобилей (медный провод), также медь находится в стартере двигателей, в автоматических стеклоподъемниках и радиаторе (медные трубки).

Олово (Sn) в автомобилестроении идет на изготовление припоев. Припои – это сплавы олова в основном со свинцом в разных пропорциях в зависимости от назначения. Их применяют для припаивания разных деталей и заготовок, так как такие сплавы прочные и легкоплавкие.

Свинец (Pb)  и серу (S)  в автомобиле можно обнаружить в составе свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Кадмий (Сd) – ядовитый металл содержится в никель-кадмиевых аккумуляторах.  Эти аккумуляторы очень живучие: они могут обеспечить в несколько раз больше циклов разрядки-зарядки, чем ближайшие конкуренты — свинцовые аккумуляторы, правда, и стоят они в десять раз больше. 
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах.

Ртутные (Hg) переключатели ранее использовались в автомобилях для управления освещением (в частности фар на крышке багажника), а также в антиблокировочных системах тормозов. С 2003 года применение переключателей на основе ртути в американских автомобилях было прекращено.

Соединения свинца (Pb) и кадмия (Cd) добавляют в лакокрасочные покрытия в качестве пигментов. Кадмий отвечает за желтые и красные цвета. Смесь карбоната свинца и гидроксида – цинковые белила, хромат свинца - желтый, а хромат молибдата сульфата свинца – красный. Но свинец и кадмий очень токсичны, поэтому их вытесняет более безопасный висмут (Вi). Ортованадат висмута - наиболее яркий из натуральных желтых пигментов. Стойкий к свету и химическому влиянию. Сравнительно молодой пигмент, но вполне заменяет более вредные кадмиевые и свинцовые пигменты.

В современных автомобилях содержатся и драгоценные металлы. Золото (Au) и серебро (Ag) используются в составе микросхем и мониторов бортовых компьютеров, составляющие систему управления и навигации автомобиля. Причем, золота в легковом автомобиле можно найти около 2 мг, тогда как серебра около 5 г.

Металлы платиновой группы, а именно, системы платина (Pt) - палладий (Pd) - родий (Ro), как правило, содержатся в составе катализаторов двигателей. Катализатор предназначен для очистки вредных выхлопов. Он расположен в системе выпуска, в процессе его работы происходят химические реакции: опасные вещества переходят в безопасные формы, после чего выбрасываются вместе с выхлопом. Пройдя этот путь выхлопные газы становятся чище. И как результат, автомобиль наносит меньший вред окружающей среде. 

В салоне автомобиля и для освещения отдельных частей кузова часто используется неоновая (Ne) подсветка. Принципиальным отличием неона от прочих типов подсветки является наличие газоразрядной лампы, чья высокая степень качества в большей степени определяет всю интенсивность свечения. Работа такой подсветки основана на действии электрополя на разреженный неон в трубке, который под его воздействием становится смесью ионов, электронов и атомов. Неоновые лампы светятся от того, что электроны, которые находятся в этой смеси при движении, налетают на атомы, которые начинают светиться.

В состав гидравлических жидкостей, смазочных и антифрикционных материалов, фреонов для систем кондиционирования автомобилей и охлаждающих систем, входит органические соединения, содержащие фтор (F). Фторопласт (политетрафторэтиле́н) активно используют для производства различных прокладок, уплотнителей, сальников, манжет, опор скольжения; мягкость и текучесть фторопласта-4 увеличивает срок службы деталей и узлов механизмов, подвергающихся трению. Фторопласт 4 (ф-4) отличный антифрикционный материал, недаром его называют "твердой смазкой"; обладает очень низким коэффициентом трения - 0,04, при взаимодействии между металлическими и фторопластовыми деталями коэффициент трения сопоставим с трением в подшипниках при наличии смазки.

Кроме фтора в состав смазочных материалов может входить дисульфид молибдена, иодид кадмия и фосфор (P). Трикрезилфосфат (ТКФ) один, или вместе с углеводородами, он используется как противоизносная и антифрикционная добавка в многочисленных синтетических смазочных материалах, неправильно называемых “маслами” из-за их внешнего вида. Это соединение также применяется в качестве гидравлической жидкости. Добавленный в бензин, трикрезилфосфат снижает вредное влияние отложений свинца.

Система закиси азота (N) — система, использующаяся для изменения технических характеристик двигателей внутреннего сгорания. Вещество, содержащее закись азота, и горючее впрыскиваются во впускной коллектор двигателя. Полученная новая смесь попадает в цилиндры.

В современных условиях для наполнения подушек безопасности применяется азот(N), который вырабатывается при сгорании таблетки натриевой кислоты или азида натрия (NaN3). При сильном ударе в автомобиле срабатывают датчики, сигнал от которых поступает в газогенератор. Газогенератор начинает вырабатывать тепло и высокое давление, в результате чего патроны сгорают, выделяя газ. Наполнение подушки осуществляется за 20-50 мс. При этом давление сохраняется не более 1 с, после чего сквозь технологические отверстия азот распространяется в автомобильном салоне.

Рассмотрев подробно элементный состав современных авто, можно сделать вывод, что наибольший удельный вес в автомобиле составляют металлы. До сих пор применяются такие опасные для здоровья тяжелые металлы как кадмий, ртуть и свинец, хотя во многих странах использование этих химических элементов сейчас сокращается. Значительная часть автомобиля сделана из различных пластиков, токсичность которых стараются уменьшить путем разработки новых технологичных и безопасных материалов.
Автомобили прочно вошли в нашу жизнь, и сделать их безопасными и экологичными наша огромная задача.

Список использованной литературы. 

1. Логинов Б. А. Удивительный мир фторополимеров. — илл. — М., 2008. — 128 с.;

2. Промышленные фторорганические продукты: справ. изд / Б. Н. Максимов, В. Г. Барабанов, И. Л. Серушкин и др. — 2-е изд., пер. и доп. — СПб.: «Химия», 1996. — 544 с.;

3. Химики – автолюбителям / Б.Б.Бобович, Г.В.Бровак, Б.М.Бунаков и др. - Л.: Химия, 1990. – 320с.

4. Химический энциклопедический словарь / гл. редактор И. Л. Кнунянц. — Сов. энциклопедия, 1983. — С. 639. — 792 с.

5. Кузов. info [электронный ресурс] Виды автомобильных пластиков. 2016-2021. URL: https://kuzov.info/vidi-avtomobilnih-plastikov/ 

6. 1GAI.ru [электронный ресурс] Из каких химических элементов состоят автомобили: Таблица. 2008 – 2021. URL: https://1gai.ru/autonews/520156-vot-iz-kakih-himicheskih-elementov-sostoyat-avtomobili-tablica.html