Хим формула стекла – Стекло неорганическое — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

Химическое стекло – Популярная химия

Стекло – один из самых древних и универсальных по своим свойствам материалов, известных человеку.


Со стеклом человек познакомился очень давно. Найденные археологами фаянсовые украшения, относящиеся к периоду первой династии фараонов, говорят о том, что в Египте стекло было известно ещё 5 тысяч лет назад. Обнаруженная при раскопках в Месопотамии цилиндрическая печать из стекла относится к периоду династии Аккада, то есть имеет возраст более 4 тысяч лет. Изделия из стекла, найденные в Японии и Индии, произведены примерно 2 тысячи лет назад. Но единого мнения о времени и месте появления стекла у учёных нет.

Как же появилось стекло?

Одна из легенд гласит, что финикийские купцы готовили пищу на песчаном берегу во время стоянки. Очаг они сложили не из камней, а их кусков африканской соды. Топливом служила солома. Проснувшись утром,  они обнаружили на пепелище слиток из стекла.

Русским мастерам секреты стеклянного производства  были знакомы более тысячи лет назад. В те времена щёлочь, песок и известь были сырьём для получения стекла. В качестве щёлочи использовали золу растений или соду.

Химический состав стекла


Стёкла бывают естественными и искусственными. Естественное стекло может образоваться, например, при извержении вулкана или при попадании молнии в залежи кварцевого песка. Но в природе так мало возможностей для образования естественного стекла, что для своих нужд человечество давно научилось получать искусственное стекло.

Стекло – аморфное тело, получаемое переохлаждением расплава, который состоит из различных окислов.

В зависимости от того, какой окисел является основным компонентом, различают силикатные стёкла (SiO2), боратные (В203), фосфатные (Р205) и комбинированные (боросиликатные и др.).

Силикатное стекло

Наиболее распространено силикатное стекло. Основная его составная часть – двуокись кремния (SiO2). На 70-75% стекло состоит из неё. Получают двуокись кремния из кварцевого песка. Окись кальция (CaO) – второй компонент стекла, придающий ему химическую стойкость и блеск. В давние времена источником окиси кальция служили морские раковины или зола деревьев, так как люди не были знакомы с известняком. Кроме этих двух компонентов, в состав стекла входят оксид натрия (Na2O) и оксид калия (K2O), которые необходимы для плавки стекла. Источниками оксидов служат сода (Na2CO3) и поташ (K2CO3). Если стекло состоит только из кремнезёма высокой чистоты, оно называется кварцевым.

Физические свойства стекла


По физическим свойствам стёкла подразделяются на обычные, жаростойкие и цветные.

Обычные стёкла

Известны три группы обычных стёкол: иззвестково-натриевое, известково-калиевое и известково-натриево-калиевое.

Известково-натриевое, или содовое, стекло применяется для выпуска оконных стёкол, посуды.

Высокая термостойкость известково-калиевого, или поташного, стекла позволяет применять его в производстве аппаратуры и высококачественной посуды.

Известково-натриево-калиевое стекло обладает высокой химической стойкостью. Наиболее часто применяется в производстве посуды.

Хрупкость – основной недостаток обычных стёкол. Для расширения области применения обычного стекла его закаливают и получают закалённое стекло, которые называется  сталинит. Из обычного стекла создают также триплекс – многослойное стекло.

Жаростойкие стёкла

Жаростойкие стёкла называют огнеупорными, термостойкими. Они применяются в изделиях, которые эксплуатируются в особых условиях. К жаростойким стёклам относятся боросиликатное стекло, лабораторное стекло и ситаллы.

Высокая антикоррозийная стойкость боросиликатного стекла и его теплостойкость позволяет использовать это стекло для создания специальных установок в химическом машиностроении. Из такого стекла получается также прекрасная жаростойкая кухонная посуда. Такая же высококачественная посуда может быть изготовлена и из лабораторного стекла. А ситаллы успешно используются в машиностроении.

Цветные стёкла

После застывания стеклянная масса имеет голубовато-зелёный или желтовато-зелёный оттенок. Но если ввести в шихту различные оксиды металлов, которые в процессе варки стекла изменяют его структуру, то после остывания стекло сможет выделять определённые цвета из проходящего через него светового спектра.

Такие стёкла применяются для изготовления художественных изделий, витражей, посуды.

Стекло соединило в себе две стихии: огонь и лёд. Огонь помогает стеклу появиться на свет. На лёд стекло становится похожим, когда застывает в форме какого-нибудь изделия.

Современным людям невозможно представить свою жизнь без стекла. Оно окружают нас повсюду: дома, в транспорте, на работе и на отдыхе. Невозможно назвать хотя бы одну отрасль промышленности, в которой  стекло не использовалось бы.

ximik.biz

Стекло неорганическое — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

В стеклообразное состояние можно перевести вещества различной природы. Это и расплавы ряда чистых оксидов и их смесей в бесчисленных вариантах, и солеобразные расплавы — галогенидные, нитратные и др. В стеклообразном состоянии легко могут быть получены и многие органические вещества. Стекла легко образуются водными растворами многих солей и их смесей. В последнее десятилетие стали известны металлические стекла, полученные особо быстрым охлаждением сплавов разных металлов. Таким образом, в стеклообразном состоянии могут находиться вещества самого разного химического типа, с самыми разными видами химических связей — ковалентных, ионных, металлических и разнообразными физико-химическими свойствами.Впервые человечество познакомилось с природным стеклообразным веществом — обсидианом — в доисторические времена. Как искусственный материал стекло впервые открыто в Египте ок. 4000 до н. э. На протяжении тысячелетий люди, используя различные добавки, добились большого разнообразия классов и разновидностей стекол. До XIX в. стекло применялось главным образом в изготовлении предметов утилитарного назначения и художественного стекла. В России становление науки о стекле и промышленного стеклоделия связано с именами М. В. Ломоносова и Д. И. Менделеева. Ломоносов первым в мировой практике стеклоделия обратил серьезное внимание на взаимосвязь свойств стекол и их химического состава. Заслугой Менделеева являются предвидение полимерного строения SiO2 и развиваемые им представления о химической природе стекла, которое он рассматривал в общем контексте разработки таких фундаментальных понятий химической науки, как определенное-неопределенное соединение, раствор, сплав и т.д.

Рентгенограммы кварцевого стекла лучше всего интерпретируются в рамках модели непрерывной беспорядочной сетки тетраэдров SiO4 (атом кремния, окружен четырьмя атомами кислорода), и отражают ближний порядок в структуре стекла. Рентгеновские и нейтронографические исследования показали, что наличие неупорядоченной сетки подтверждается применительно к структуре однокомпонентных стекол. В бездефектном кварцевом стекле существуют только мостиковые атомы кислорода. Для стекол, содержащих два или более компонентов, характерна химическая неоднородность. При введении в SiO2 оксида натрия в результате взаимодействия оксидов, несмотря на сохранение координации атомов кремния относительно кислорода, непрерывность кремнекислородной сетки нарушается за счет частичных обрывов связей Si-O-Si, соединяющих тетраэдры между собой.

По химическому составу неорганические стекла подразделяют на элементарные, халькогенидные и оксидные. Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий оксид. К числу стеклообразующих оксидов относятся SiO2, В2O3, GeO2, P2O5. Наибольшее распространение получили силикатные стекла (на основе SiO2) благодаря высокой химической устойчивости, а также дешевизне и доступности сырьевых компонентов. Для придания определенных физических свойств в состав силикатных стекол вводят оксиды различных металлов (наиболее часто щелочных и щелочноземельных).

Физико-химические свойства стекла зависят от его состава и степени обработки. Наименьшую плотность (~2, 3 г/см3) имеет кварцевое стекло, состоящее только из оксида кремния. Наиболее тяжелые свинцовые стекла, содержащие много оксида свинца (до 80%), имеют плотность около 8 г/см3.

Предел прочности стекла при растяжении невелик (8.107Н/м2) и увеличивается при повышении содержания в нем SiO2 и CaO. Щелочные оксиды снижают прочность стекла. Сжатию стекло противостоит гораздо лучше, чем растяжению, и предел прочности при сжатии и растяжении может различаться на порядок.

Стекло очень хрупкий материал; наименьшей хрупкостью обладают боросвинцовые стекла. Кварцевое стекло остается хрупким при нагреве до температуры ~ 400°С, при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается и становится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла из твердого состояния в жидкое не характеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит в обратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации).

Сырьем для изготовления стекла служат кварцевый песок SiO2, сода Na2CO3, поташ K2CO3, известняк CaCO3, доломит CaCO3.MgCO3, сульфат натрия Na2SO4, бура Na2B4O7, борная кислота H3BO3, сурик Pb3O4, полевой шпат Al2O3.6SiO2.K2O и др. Сырьевые материалы измельчают, отвешивают в нужных соотношениях и тщательно перемешивают. Шихта, как правило, содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от целей дальнейшего использования стекла, окислители, красители, обесцвечиватели, осветлители, глушители, восстановители и окислители, ускорители варки или иные добавки. Красители придают стеклу нужный цвет. Для этого во время плавки в стеклянную массу добавляют окислы металлов. Например, железо сделает прозрачный материал голубовато-зеленым или желтым, марганец — желтым или коричневым, хром — травянисто-зеленым, уран — желтовато-зеленым (так называемое урановое стекло), кобальт — синим (кобальтовое стекло), коллоидное серебро — желтым, медь — красным. Полученную таким образом шихту загружают в стекловарочную печь. После этого шихту расплавляют при высокой температуре. Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при температурах от 1200 до 1600°С в течение продолжительного времени — от 12 до 96 ч. При нагреве шихта плавится, летучие составные части (H2O, CO2, SO3) из нее удаляются, а оставшиеся химически реагируют между собой, в результате чего образуется однородная стекломасса, которая идет на выработку листового стекла или стеклянных изделий. Стеклообразное состояние материала получается лишь при быстром охлаждении стекломассы. В случае медленного охлаждения начинается частичная кристаллизация, стекло теряет прозрачность из-за нарушения однородности, а отформованные изделия при этом обладают невысокой механической прочностью.

В процессе охлаждения расплава сильно изменяется вязкость стекломассы. Для любого стекла на графике температурной зависимости вязкости различают две характерные точки, соответствующие температурам текучести Тт и стеклования Тс. При температурах выше Тт у стекла проявляются свойства текучести, типичные для жидкого состояния. Вязкость различных стекол при температуре Тт примерно одинакова и равна 108 Па.с. Температуре стеклования Тс, ниже которой проявляется хрупкость стекла, соответствует вязкость порядка 1012 Па.с. Интервал температур между Тт и Тс называют интервалом размягчения, в котором стекло обладает пластичными свойствами. Для большинства применяемых в технике силикатных стекол Тс=400-600оС, а Тт=700-900оС, т. е. интервал размягчения составляет несколько сотен градусов. Чем шире интервал размягчения, тем технологичнее стекло, так как в этом случае легче отформовать изделия. Изготовленные стеклянные изделия подвергают отжигу с целью устранения возникшего при неравномерном остывании напряжения.

Если в древности варка стекла осуществлялась в глиняных горшочках глубиной и диаметром 5–7 см, то в настоящее время для производства оптического, художественного и других видов стекла специального состава применяют шамотные горшки больших размеров, вмещающие от 200 до 1400 кг шихты. В одной печи могут выдерживаться от 6 до 20 горшков, горшковые печи применяют для получения относительно небольшого количества стекла с точно выдержанным составом. В крупном производстве применяют ванные печи. Большие массы стекла варятся в ванных печах непрерывного действия. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла. Постоянный уровень расплавленного стекла в ванне поддерживается путем непрерывной подачи шихты на одном из концов установки и извлечения готового продукта с той же скоростью из другого конца. В таком режиме некоторые стекловаренные печи работают до пяти лет. Крупные печи, иногда вмещающие несколько сот тонн расплавленного стекла, приспосабливают к интенсивному механическому производству. Как горшковые, так и ванные печи обычно нагревают сжиганием природного газа или мазута.

Силикатные стекла по составу, а в связи с этим и по электрическим, оптическим, механическим свойствам можно разделить на:

  • бесщелочные стекла (отсутствуют окислы натрия и калия). В эту группу входит чистое кварцевое стекло. Стекла данной группы обладают высокой устойчивостью к нагреву, высокими электрическими свойствами, но из них трудно изготавливать изделия, особенно сложной конфигурации;
  • щелочные стекла без тяжелых окислов или с незначительным их содержанием. Эта группа состоит из двух подгрупп: натриевые и калиевые или калиево-натриевые. В эту группу входит большинство обычных стекол. Они отличаются пониженной устойчивостью к нагреву, легко обрабатываются при нагреве, но имеют пониженные электрические свойства: снижается удельное сопротивление, возрастают диэлектрические потери;
  • щелочные стекла с высоким содержанием тяжелых оксидов (например, силикатно-свинцовые или бариевые).

Был открыт целый ряд необычных применений стекла в связи с тем, что ему можно придать свойство поверхностной проводимости. Это достигается напылением на поверхность стеклянного изделия тонкого, прозрачного, почти невидимого слоя оксида металла. Электропроводящая пленка (толщиной 0, 5 мкм), например, может быть получена напылением солей металлического серебра и нагревом стекла до температуры 500-700 °С. Такое покрытие весьма долговечно и имеет поверхностное сопротивление в пределах от 10 до 100 Ом/см2. После покрытия пленки тонким слоем люминофора стекло можно использовать в качестве светящегося элемента (с голубым, зеленым, желтым свечением). При обычных температурах можно использовать известковое стекло, а при высоких — боросиликатное. Изготовленные из такого стекла панели лучистого нагрева могут работать при температурах до 350° С. Подобные панели — хороший источник энергии длинноволнового инфракрасного излучения, которое большинство веществ и сред поглощает с эффективностью 90% и более. Таким способом изготавливаются настольные стеклянные излучатели и вспомогательные нагреватели для помещений. Проводящие покрытия, нанесенные на ветровые стекла самолетов, сохраняют их теплыми и свободными от льда. Кроме того, в качестве источника тепла используют стеклопакеты с внутренним слоем из электропроводящего стекла.

Стеклянные колбы широко используются в качестве оболочек для ламп накаливания и электронно-лучевых трубок. Проволочные резисторы, трансформаторы, конденсаторы, реле и переключатели могут заключаться в оболочки из отпущенного стекла с выводами через стеклянные изоляторы. Крупные проходные изоляторы массой до 22 кг, рассчитанные на сильные токи и высокие напряжения, изготавливаются путем центробежной отливки стекла вокруг металлических втулок. С применением стекла изготавливаются конденсаторы как постоянной, так и переменной емкости. В конденсаторах постоянной емкости используется листовое стекло толщиной до 0, 025 мм. Конденсатор переменной емкости состоит из изготовленной с жестким допуском стеклянной трубки, часть внешней поверхности которой металлизируется для образования одной обкладки. Внутрь трубки вставляется стержень из латуни или инвара, образующий вторую обкладку. Стеклянные трубки или стержни с нанесенной на них углеродной, металлической или металлооксидной пленкой используются в качестве резисторов.

Стекло, устойчивое к радиоактивному излучению, получают из шихты специального состава. Для поглощения рентгеновских лучей используют оптические стекла с высоким содержанием свинца и бора. Чтобы улучшить устойчивость стекла к излучению, в шихту добавляют 0, 25-1, 5% окиси церия. Защитные свойства стекла можно приближенно оценивать по их плотности. Например, тяжелое свинцовое стекло с объемной массой 6200 кг/м3, содержащее 80% окиси свинца, по своей защитной способности в отношении излучения эквивалентно стали. Стекла, поглощающие медленные нейтроны, должны содержать один из следующих окислов: окись бора, окись лития, окись кадмия и др. Стекло, устойчивое к действию радиоактивных излучений, применяют при сооружении атомных электростанций (например, при устройстве защитных смотровых окон) и предприятий по изготовлению изотопов.

В 1947 было обнаружено, что стекла некоторых составов при воздействии ультрафиолетового излучения образуют скрытое изображение, которое может быть проявлено путем нагрева стекла чуть выше температуры отжига. Например, на стекло можно наложить фотографический негатив и облучить его ультрафиолетом, а потом нагреть стекло; в результате в объеме стекла появится воспроизведенное в цвете изображение. Цвет изображения зависит от вида светочувствительного металла, введенного в шихту. Один из составов дает опаловое стекло такой природы, что разбавленная фтористоводородная кислота протравливает облученную часть раз в пятнадцать быстрее, чем необлученную. Эта огромная разница в растворимостях позволяет осуществлять химическое травление. Таким способом в стекле можно вытравливать отверстия размером меньше половины среднего диаметра человеческого волоса в количестве до 100 тыс. отверстий на 1 см2. Стекла этого типа используются для изготовления световых табло и элементов светового декора, а также в качестве чувствительных элементов дозиметров. После воздействия проникающего излучения некоторые из таких стекол ярко светятся при облучении ультрафиолетовым светом, а другие меняют свой цвет. Интенсивность флуоресценции или степень изменения окраски пропорциональна полученной дозе облучения.

Варьирование химического состава стекол, режимов отжига и последующей обработки разными растворителями позволило получать стекла с размером пор от нескольких десятков до 1000 ангстрем. Пористые стекла широко применяются как адсорбенты и как «молекулярные сита», которые пропускают мелкие молекулы и не пропускают более крупные. Молекулярные сита были использованы, например, при получении противогриппозных вакцин. При введении в поры каких-либо неорганических соединений и последующей термообработке при 1000 – 1200оС получаются разнообразнейшие материалы, называемые импрегнированными кварцоидами. Они представляют собой массивное, во многих случаях совершенно прозрачное стекло, в котором уже нет пор. Это стекло обладает особыми свойствами, определяемыми составом введенных в поры веществ.

Значительную долю в производстве оптического стекла составляет оптическое стекло со специальными свойствами:

  • лазерное стекло на силикатной и фосфатной основе с различными концентрациями активатора, позволяющее создавать твердотельные квантовые генераторы, которые используются в научных исследованиях, медицине, специальных дальномерах и прицелах;
  • бескислородные или халькогенидные стекла для инфракрасной области спектра, применяются в оптических и полупроводниковых системах. Созданы особо чистые высокооднородные стекла, которые применяются в рентгеновских установках для защиты от излучения, используются в создании оптических систем для микролитографии, и позволяют получить микросхемы с разрешающей способностью менее микрона и обеспечить цветопередачу ТВ-систем;
  • на основе стекловолокна изготавливают волоконно-оптические элементы для передачи света и изображения. Применяются в космических аппаратах, военной технике, цветном телевидении, медицине, приборах ночного видения.

Фотохромными называются стекла, изменяющие окраску под действием излучения. В настоящее время получили распространение очки со стеклами-«хамелеонами», которые при освещении темнеют, а в отсутствие интенсивного освещения вновь становятся бесцветными. Такие стекла применяют для защиты от солнца сильно остекленных зданий и для поддержания постоянной освещенности помещений, а также на транспорте. Фотохромные стекла содержат оксид бора B2O3, а светочувствительным компонентом является хлорид серебра AgCl в присутствии оксида меди Cu2O. При освещении в результате химической реакции выделяется атомарное серебро, что приводит к потемнению стекла. В темноте реакция протекает в обратном направлении. Оксид меди играет роль своеобразного катализатора. При интенсивном облучении стекла (в том числе и лабораторного) г-лучами нейтронами и в меньшей мере б-, и в-лучами также происходит окрашивание стекла (чаще в темные и черные цвета). Это связано с изменением структуры стекла и образованием ионов, которые играют роль «цветовых центров». При нагревании стекла до температур, близких к температуре размягчения, окраска исчезает. Иногда подобные стекла используют в качестве дозиметров больших доз излучений.

Считаются весьма интересной и перспективной в практическом отношении группой веществ, сочетающих в себе свойства стекол и кристаллических тел полупроводников. Известны они очень давно. Например, одно из первых упоминаний о такого рода стеклах относится еще к 19 в. (стекло состава As2S3). Однако как определенный класс стекол они стали изучаться лишь в 1970-х гг., когда было установлено, что сплавы халькогенидов — сурьмы, мышьяка и таллия — образуют обширную область стеклообразного состояния. Халькогенидные стекла могут быть получены на основе самых различных сочетаний. В совокупности они представляют весьма обширную группу стекол, обладающих весьма разнообразными физико-химическими, физическими, электрическими и оптическими свойствами. Электропроводность халькогенидных стекол в зависимости от состава может находиться в границах 10-14-10-1ом-1·см-1, т. е. быть выше электропроводности многих известных кристаллических проводников. Изучение электрических свойств этой группы веществ показало, что по ряду признаков (температурная проводимость, большое значение термоэлектродвижущей силы, и особенно внутренний фотоэлектрический эффект) они являются типичными электронными полупроводниками с дырочным механизмом проводимости. Соединения такого типа в последние годы стали применять в переключающих устройствах, нелинейной оптике и в качестве стеклообразующих полупроводников.

На основе стекол также получают: стеклокерамический материал — ситалл, ячеистый материал пеностекло, триплекс, и ряд других материалов.

  • Неорганические стекла, покрытия и материалы. – Рига: РПИ, 1989.
  • Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. – М.: Мир, 1986.

megabook.ru

Плотность стекла: свойства и физические характеристики

Стекло является самым древним и самым универсальным материалом, который используется в разных сферах деятельности человека. Изготавливать стекло начали еще в Древнем Египте, где стекло применялось для внутренней облицовки пирамид. Чуть позже стекло начали широко использовать в отделке множества дворцов. Самыми важными характеристиками стекла оставалась твердость, прочность, теплопроводность и высока термостойкость, причем эти характеристики могут влиять на качество данного материала.

Плотность стекла

По аналогии до характеристик пенопласта стекло имеет свои уникальные качества. Если это технические стекла, то их плотность зависит от химического состава и колеблется в пределах от 220 и до 6300 кг/м3. Если это стекла, которые применяют в изготовлении декоративных изделий и сортовой посуды, то их плотность обычно 2490-2520 кг/м3. Для изготовления свинцовых хрусталей плотность стекла составляет 2400-3200, а для бариевых хрусталей плотность составляет 2700-2900 кг/м3.

Стоит знать, что плотность стекла уменьшается при повышении температуры. Поэтому плотность стекла отожженного больше, нежели закаленного. А связано это с тем, что все закаленные стекла имеют рыхлую структуру, ведь при закалке замораживается высокотемпературная структура в стекле. А вот во время отжига эта структура уплотняется. Готовая плотность плохо и хорошо отожженных стекол различается и составляет 20-30 кг/м3.

Еще плотность стекла может изменяться в зависимости от его химического состава. Например, существенно повышают плотность стекла оксиды железных металлов ZnO, PbO, ВаО, а в меньшей степени MgO и СаО. Такая зависимость используется в контроле химического состава стекол и особенно во время механизированного производства стеклянных изделий.

Свойства стекла

Стекло является неорганическим материалом, который изготавливают на производстве, а также оно существует в природе – это минералы. Относительно структуры стекла, то оно является аморфным твердым телом, которое имеет массу модификаций. Именно поэтому существует большое количество видов этого материала.

Причем каждый вид стекла имеет свой уникальный состав, свои химические и физические свойства. На сегодня, независимо от вида стекла, его производство достигло таких масштабов, что свойства стекла улучшаются каждый день. Например, данный материал имеет такой состав, что получил высокую стойкость к агрессивным веществам, биоактивность, прозрачность, отражающую способность, прочность, жаростойкость, электропроводность и другие.
Химический состав стекла

Изготавливают стекло из стеклообразующих веществ, к которым относятся такие фториды и оксиды, как B2O3, P2O5, AlF3, GeO2, SiO2, TeO2. В итоге, учитывая основной используемый компонент, выделяют разные виды стекол. Например, бывают фторидные и оксидные стекла, это силикатное, кварцевое, германатное и фосфатное стекло.

Если это обычное силикатное стекло, то его изготавливают методом плавления компонента из соды, кварцевого песка и извести. Что касается кварцевого стекла, то оно в своем составе имеет формулу SiO2 и изготавливается оно с помощью метода плавления кремнеземистых веществ, это кварцита и горного хрусталя. Помимо этого, оно еще может состоять из кластофульгуритов, то есть оно имеет природное происхождение. Изготавливают его путем попадания молнии прямо в залежи кварцевого песка.

Физические свойства

Плотность стекла зависит от его вида, например, минимальную плотность имеет кварцевое стекло, что составляет 2200 кг/м3. Если в состав стекла входят оксид свинца, висмута, тантала, то его плотность составляет приблизительно 7500 кг/м3, а обычное оконное, то есть силикатное стекло имеет плотность 2500-2600 кг/м3. Вторым важным показателем является теплопроводность стекла, которая варьирует от 0,711 и до 13,39 Вт/м*К.

Удельный вес стекла является параметром изменным, который зависит от плотности стекла. Но его высчитают по специальной формуле, в которую включают толщину и массу изделия. Например, стекло с толщиной 1 мм имеет вес 2,5 кг и площадь 1 м2. Еще одним показателем является хрупкость стекла, которая определяет возможное разрушение этого материала от разного физического воздействия.

Такое свойство отражается ударной вязкостью, которая может увеличиться после добавления брома в процессе изготовления стекла. Например, ударная вязкость силикатного стекла составляет 1,5-2 кН/м, а его прочность может варьировать от 500 и до 2000 МПа. Что касается твердости стекла, то она измеряется по шкале Мооса и составляет 6-7 Ед. А зависит твердость стекла от добавления различных примесей. И если в его состав внесли щелочные оксиды, то твердость материала становится меньшей, в итоге получается свинцовое мягкое стекло, а самым твердым считается кварцевое стекло.

Востребованность и популярность стекла

Самую важную роль в производстве стекла играет его закалка, то есть обработка, которая делает стекло наиболее безопасным и особенно во время его разбивания. В итоге осколки не могут ранить человека, поэтому такой материал охотно используют в производстве перегородок, мебели и дверей. Кроме этого существует и другой способ обработки стекла – это изгиб стекла, то есть получается гнутое стекло. Такой материал является очень капризным, поэтому его редко используют. Готовое стекло и даже закаленное образцы довольно легко поддаются поверхностной обработке.

Наиболее распространенным видом обработки стекол является пескоструйная обработка. То есть ударная волна песка направлена так, что выбивает в стекле следы, которые задумал дизайнер. В итоге матирующий эффект и причудливые узоры придают материалу индивидуальность и неотразимость. Еще в производстве стекла используется окраска и такая обработка материала встречается для приготовления столешниц и при отделке стен. Огромное множество способов дает возможность изготавливать каждый день различные предметы обихода, и просто прекрасные шедевры искусства.

С каждым годом разновидности стекол только увеличиваются, и это позволяет использовать его во многих сферах деятельности человека. Единственно, что нельзя забывать – это осторожно обращаться с этим прочным, красивым и восхитительным материалом, который все же остается хрупким материалом.

positroika-doma.ru

Химический состав стекла ― Стекольная Компания

В стекловарении используют только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее количество загрязнений не превышает 2—3 %. Особенно нежелательно присутствие железа, которое даже в ничтожных количествах (десятые доли %) окрашивает стекло в зеленоватый цвет. Если к песку добавить соду Na2CO3, то удается сварить стекло при более низкой температуре (на 200—300°С). Такой расплав будет иметь менее вязкий (пузырьки легче удаляются при варке, а изделия легче формуются). Но! Такое стекло растворимо в воде, а изделия из него подвергаются разрушению под влиянием атмосферных воздействий. Для придания стеклу нерастворимости в воде в него вводят третий компонент — известь, известняк, мел. Все они характеризуются одной и той же химической формулой — СаСО3
Стекло, исходными компонентами шихты которого является кварцевый песок, сода и известь, называют натрий-кальциевым. Оно составляет около 90 % получаемого в мире стекла. При варке карбонат натрия и карбонат кальция разлагаются в соответствии с уравнениями:

Na2CO3 = Na2O + CO2

СаСО3 = СаО + СО2
В результате в состав стекла входят оксиды SiO2, Na2O и СаО. Они образуют сложные соединения — силикаты, которые являются натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты.
В стекло вместо Na2O с успехом можно вводить К2О, а СаО может быть заменен MgO, PbO, ZnO, BaO. Часть кремнезема можно заменить на оксид бора или оксид фосфора (введением соединений борной или фосфорной кислот). В каждом стекле содержится немного глинозема Аl2О3, попадающего из стенок стекловаренного сосуда. Иногда его добавляют специально. Каждый из перечисленных оксидов обеспечивает стеклу специфические свойства. Поэтому, варьируя этими оксидами и их количеством, получают стекла с заданными свойствами. Например, оксид борной кислоты В2О3 приводит к понижению коэффициента теплового расширения стекла, а значит, делает его более устойчивым к резким температурным изменениям. Свинец сильно увеличивает показатель преломления стекла. Оксиды щелочных металлов увеличивают растворимость стекла в воде, поэтому для химической посуды используют стекло с малым их содержанием.

www.glass-work.ru

Занимательная химия



 


 


 


 


 



История стекла уходит в глубокую древность.
Известно, что в Египте и Месопотамии его умели делать уже 6000 лет
назад. Вероятно, стекло начали изготавливать все же позже, чем первые
керамические изделия, так как для его производства требовались более
высокие температуры, чем для обжига глины. Если для простейших
керами­ческих изделий было достаточно только глины, то в состав стекла
необходимо минимум три компонента.




В стекловарении используют только самые чистые
разновидности кварцевого песка, в которых общее ко­личество загрязнений
не превышает 2—3 %. Особенно нежелательно присутствие железа, которое
даже в нич­тожных количествах (десятые доли %) окрашивает стекло в
зеленоватый цвет. Если к песку добавить соду
Na2CO3,
то удается сварить стекло при более низкой температуре (на 200—300°С).
Такой расплав будет иметь менее вязкий (пузырьки легче удаляются при
варке, а изделия легче формуются). Но! Такое стекло растворимо в воде, а
изделия из него подвергаются разрушению под влиянием атмосферных
воздействий. Для придания стеклу нерастворимости в воде в него вводят
третий компонент — известь, известняк, мел. Все они характе­ризуются
одной и той же химической формулой — СаСО3.




Стекло, исходными компонентами шихты которого
яв­ляется кварцевый песок, сода и известь, называют натрий-кальциевым.
Оно составляет около 90 % получае­мого в мире стекла. При варке карбонат
натрия и карбонат кальция разлагаются в соответствии с уравнениями: 


Na2CO3  → 
Na2O + CO2 



СаСОз


СаО
+ СО




В результате в состав стекла входят оксиды
SiO2,
Na2O
и СаО. Они образуют сложные соединения — силикаты, которые являются
натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты.





В стекло вместо
Na2O
с успехом можно вводить К2О, а СаО может быть заменен
MgO,
PbO,
ZnO,
BaO.
Часть кремнезема можно заменить на оксид бора или оксид фосфора
(введением соединений борной или фосфорной кислот). В каждом стекле
содержится немного глинозема Аl2О3,
попадающего из стенок стекловаренного сосуда. Иногда его добавляют
специально. Каждый из перечисленных оксидов обеспечивает стеклу
специфические свойства. Поэтому, варьируя этими оксидами и их
количеством, получают стекла с заданными свойствами. Например, оксид
борной кислоты В2О3 приводит к понижению
коэффициента теплового расширения стекла, а значит, делает его более
устойчивым к резким температурным изменениям. Свинец сильно увеличивает
показатель преломления стекла. Оксиды щелочных металлов увели­чивают
растворимость стекла в воде, поэтому для химической посуды используют
стекло с малым их содержанием.






Окраску стекла осуществляют введением в него
оксидов некоторых металлов или образованием коллоидных частиц
определенных элементов. Так, золото и медь при коллоидном распределении
окрашивают стекло в красный цвет. Такие стекла называют золотым и медным
рубином соответственно. Серебро в коллоидном состоянии окра­шивает
стекло в желтый цвет. Хорошим красителем является селен. В коллоидном
состоянии он окрашивает стекло в розовый цвет, а в виде соединения
CdS·3CdSe
— в красный. Такое стекло называют селеновым рубином. При окраске
оксидами металлов цвет стекла зависит от его состава и от количества
оксида-красителя. Например, оксид кобальта(II)
в малых количествах дает голубое стекло, а в больших — фиолетово-синее
с красноватым оттенком. Оксид меди (II)
в натрий-кальциевом стекле дает голубой цвет, а в калиево-цинковом —
зеленый. Оксид марганца (II)
в натрий-кальциевом стекле дает красно-фиолетовую окраску, а в
калиево-цинковом — сине-фиолетовую. Оксид свинца (II)
усиливает цвет стекла и придает цвету яркие оттенки.






Существуют химические и физические способы
обес­цвечивания стекла. В химическом способе стремятся все содержащееся
железо перевести в Fe3+.
Для этого в шихту вводят окислители — нитраты щелочных металлов, диоксид
церия СеО2, а также оксид мышьяка (III)
AS2O3
и  оксид сурьмы(III)
Sb2O3.
Химически обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов
Fe3+)
в желтовато-зеленоватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При
физическом обесцвечивании в состав стекла вводят «красители», т. е.
ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске,
создаваемой ионами железа, — это оксиды никеля, ко­бальта,
редкоземельных элементов, а также селен. Диок­сид марганца
MnO2
обладает свойствами как химиче­ского, так и физического обесцвечивания.
В результате двойного поглощения света стекло становится бесцвет­ным, но
его светопропускание понижается. Таким обра­зом, следует различать
светопрозрачные и обесцвеченные стекла, поскольку эти понятия различны.






В некоторых дворцах, парадных зданиях и
культовых сооружениях в Европе в мелкие ячейки в оконных проемах
вставляли пластинки слюды, которые ценились очень дорого. В домах
простых людей для этой цели использо­вались бычий пузырь и промасленная
бумага или ткань. В середине
XVI
в. даже во дворцах французских королей окна закрывались промасленным
полотном или бумагой. Лишь в середине
XVII
в. при Людовике XIV
в окнах его дворца появилось стекло в виде маленьких квадра­тиков,
вставленных в свинцовый переплет. Листовое стек­ло большой площади долго
не умели получать. Поэтому даже в
XVIII в. застекленные окна имели мелкий переплет. Обратите внимание на
реставрированные здания петровской эпохи, например на Меньшиковский
дворец в Санкт-Петербурге. Однако вернемся к истокам производ­ства
оконного стекла.






В конце средневекового периода в Европе начали
широко применять «лунный» способ изготовления листового стекла. В его
основу также был положен метод выдувания. При этом способе вначале
выдувался шар, затем он сплющивался, к его дну припаивалась ось, а около выдувательной трубки заготовка обрезалась. В результате получалось
подобие вазы с припаянной ножкой-осью. Раскаленная «ваза» вращалась с
большой скоростью вокруг оси и под действием центробежной силы
превращалась в плоский диск. Толщина такого диска была 2—3 мм, а диаметр
доходил до 1,5 м. Далее диск отделялся от оси и отжигался. Такое стекло
было гладким и прозрачным. Характерная его особенность — наличие в
центре диска утолщения, которое специалисты называют «пупком». Лунный
способ производства сделал листовое стекло доступным для населения.
Однако на смену ему уже в начале
XVIII
в. пришел другой более совершенный «халявный» способ, который
использовался во всем мире почти в течение двух столетий. По сущест­ву,
это было усовершенствование средневекового способа выдувания, в
результате которого получался цилиндр. «Халявой» называли формируемую
массу стекла на кон­це выдувной трубки. Она доходила до 15—20 кг и из
нее в итоге получались листы стекла площадью до 2—2,5 м2.






Мелкие стеклянные изделия делают матовыми
обработкой фтороводородной (плавиковой) кислотой. Последняя
взаимодействует с диоксидом кремния, находящимся на поверхности, с
образованием летучего тетрафторида кремния
SiF4 в соответствии с уравнением:






SiO2
+ 4HF
= SiF4
+ 2H2O






Фотохромные стекла
изменяют окраску под действием излучения. В
настоящее время получили распростра­нение очки со стеклами, которые при
освещении темнеют, а в отсутствие интенсивного освещения вновь
становятся бесцветными. Такие стекла применяют для защиты от солнца
сильно остекленных зданий и для поддержания постоянной освещенности
помещений, а также на транс­порте. Фотохромные стекла содержат оксид
бора В2О3, а светочувствительным компонентом
является хлорид се­ребра
AgCl в присутствии оксида меди(I)
Cu2O.
При освещении происходит процесс







Выделение атомарного серебра приводит к
потемнению стекла. В темноте реакция протекает в обратном направ­лении.
Оксид меди(I)
играет роль своеобразного катализатора.






Хрусталь, хрустальное стекло
— это силикатное стекло, содержащее различное
количество оксида свинца. Часто на маркировке изделия указывается
содержание свинца. Чем больше его количество, тем выше качество
хрусталя. Хрусталь характеризуется высокой прозрач­ностью, хорошим
блеском и большой плотностью. Изде­лия из хрусталя в руке чувствуются по
массе.






Строго хрусталем называют свинцово-калиевое
стекло. Хрустальное стекло, в котором часть К2О заменена на
Na2O,
а часть РbО
заменена на CaO,
MgO,
BaO
или ZnO,
называют полухрусталем.






Считают, что хрусталь был открыт в Англии в
XVII
столетии.






Кварцевое стекло.
Его получают плавлением чистого кварцевого
песка или горного хрусталя, имеющих состав
SiO2.
Для изготовления кварцевого стекла требуется очень высокая температура
(выше 1700 °С).






Расплавленный кварц обладает высокой вязкостью
и из него трудно удаляются пузырьки воздуха. Поэтому кварцевое стекло
часто легко узнается по заключенным в нем пузырькам. Важнейшим
свойством кварцевого стекла является способность выдерживать любые
темпе­ратурные скачки. Например, кварцевые трубы диаметром 10—30 мм
выдерживают многократное нагревание до 800—900 °С и охлаждение в воде.
Брусья из кварцевого стекла, охлаждаемые с одной стороны, сохраняют на
противоположной стороне температуру 1500 °С и потому используются в
качестве огнеупоров. Тонкостенные изделия из кварцевого стекла
выдерживают резкое охлажде­ние на воздухе от температуры выше 1300 °С и
потому с успехом используются для высокоинтенсивных источников света.
Кварцевое стекло из всех стекол наиболее прозрачно для ультрафиолетовых
лучей. На этой проз­рачности отрицательно сказываются примеси оксидов
ме­таллов и особенно железа. Поэтому для производства кварцевого стекла,
идущего на изделия для работы с ультрафиолетовым излучением,
предъявляются особо жесткие требования к чистоте сырья. В особо
ответ­ственных случаях кремнезем очищается переводом в тетрафторид
кремния SiF4
(действием плавиковой кислоты) с последующим разложением водой на
диоксид кремния SiO2
и фтороводород HF. Кварцевое стекло прозрачно и в инфракрасной
области.






Ситаллы
— стеклокристаллические материалы, получаемые
регулируемой кристаллизацией стекла. Стекло, как известно, — это твердый
аморфный материал. Его самопроизвольная кристаллизация в прошлом
приносила убытки на производстве. Обычно стекломасса довольно стабильна
и не кристаллизуется. Однако при повторном нагревании изделия из стекла
до определенной температу­ры стабильность стекломассы снижается и она
переходит в тонкозернистый кристаллический материал. Технологи научились
проводить процесс кристаллизации стекла, исключая что растрескивание.






Ситаллы обладают высокой механической
прочностью и термостойкостью, водоустойчивы и газонепроницаемы,
характеризуются низким коэффициентом расширения, высокой диэлектрической
проницаемостью и низкими ди­электрическими потерями. Они применяются для
изготов­ления трубопроводов, химических реакторов, деталей насосов,
фильер для формования синтетических волокон, в качестве футеровки
электролизных ванн и материала для инфракрасной оптики, в
электротехнической и элект­ронной промышленности.






Прочность, легкость и огнестойкость обусловили
при­менение ситаллов в жилищном и промышленном строительстве. Из них
изготавливают навесные самонесущие панели наружных стен зданий,
перегородки, плиты и блоки для внутренней облицовки стен, мощения дорог
и тротуаров, оконные коробки, ограждения балконов, лестничные марши,
волнистую кровлю, санитарно-техническое оборудование. В быту с ситаллами
чаще встре­чаются в виде белой непрозрачной жаростойкой кухонной
посуды. Установлено, что ситаллы выдерживают около 600 резких тепловых
смен. Изделия из ситаллов не царапаются и не прогорают. Их можно снять с
плиты в раскаленном до красна состоянии и опустить в ледяную воду,
извлечь из холодильника и поставить на открытое пламя, не опасаясь
растрескивания или разрушения.






Ситаллы — один из видов стеклокристаллических
материалов, которые ведут свою историю всего лишь с 50-х годов текущего
столетия, когда был выдан на них первый патент.






Пеностекло
— пористый материал, представляющий собой
стеклянную массу, пронизанную многочисленными пустотами. Оно обладает
тепло- и звукоизоляционными свойствами, небольшой плотностью (примерно в
10 раз легче кирпича) и высокой прочностью, сравнимой с бетоном.
Пеностекло не тонет в воде и потому используется для изготовления
понтонных мостов и спасательных принадлежностей. Однако его главная
область применения — строительство. Пеностекло является исключи­тельно
эффективным материалом для заполнения внутренних и наружных стен
зданий. Оно легко поддается механической обработке: пилением, резанием,
сверле­нием и обтачиванию на токарном станке.






Стеклянная вата и волокно.
При нагревании стекло размягчается и легко
вытягивается в тонкие и длинные нити. Тонкие стеклянные нити не имеют и
признаков хрупкости. Их характерным свойством является чрезвычайно
высокое удельное сопротивление разрыву. Нить диаметром 3—5 мкм имеет
сопротивление на разрыв 200—400 кг/мм2, т. е. приближается по
этой характе­ристике к мягкой стали. Из нитей изготавливают стекловату,
стекловолокно и стеклоткани. Не трудно догадаться об областях
использования этих материалов. Стекловата обладает прекрасными тепло- и
звукоизоляционными свойствами. Ткани, изготовленные из стеклянного
волок­на, обладают чрезвычайно высокой химической стойкостью. Поэтому
их применяют в химической промышленности в качестве фильтров кислот,
щелочей и химически активных газов. Вследствие хорошей огнестойкости
стеклоткани применяют для пошива одежды пожарных и электросварщиков,
театральных занавесей, драпировок, ковров и т. п. Стеклоткани кроме
огнестойкости и химической стойкости обладают также высокими
электроизо­ляционными.




Органическое стекло (плекси­глас) — прозрачная бесцветная
пласти­ческая масса, образующаяся при полимеризации метилового эфира
метакриловой кислоты.
Лег­ко поддается механической обработке. Применяется как листовое стекло
в авиа- и машиностроении, для изготовления
бытовых изделий, средств защиты в ла­бораториях и др.





 Посуда
из стекла.
Качество посуды зависит
от состава стекла, способа ее выработки и характера декора­тивной
обработки. Самым дешевым стеклом является кальциево-натриевое. Для посуды улучшенного
качества используют кальциево-натриево-калиевое стекло, а для посуды
высших сортов — кальциево-калиевое. Самые лучшие сорта посуды
изготавливают из хрусталя.






Посудные изделия вырабатывают выдуванием или
прессованием. Выдувание, в свою очередь, бывает ма­шинным и ручным.
Способ выработки, естественно, отражается на качестве посуды. Сложные по
форме и художественные изделия изготавливают только ручным способом.
Прессованные изделия легко отличаются от выдутых характерными мелкими
неровностями на поверхности, в том числе и на внутренней. На выдутых
изделиях они отсутствуют.



 

interestingchem.narod.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о

Свежие записи