Дополнительный материал по химии на тему: «СТЕКЛО»

Дополнительный материал по химии на тему: «СТЕКЛО» Производство и химический состав различных видов стекла Относительная   дешевизна   стеклянных   строительных   материалов обусловливается широким распространением, а следовательно, доступностью и дешевизной сырья для их производства. Стекло можно сварить из одного кварцевого песка, химическая формула которого SiO2. Однако для этого нужна очень высокая температура (выше 1700 °C). Получение таких температур в печах промышленного типа связано с большими   трудностями.   Обычные   печи,   в   которых   используется   твердое, жидкое   или   газообразное   топливо,   для   этого   не   годятся.   (Для   плавления кварцевого   песка   применяют   электрические   печи   специального   устройства или горелки, в которых сжигается водород в токе кислорода.) Расплавленный кварцевый песок представляет собой столь густую и вязкую массу, что из нее трудно удалить воздушные пузырьки и придать изделиям нужную форму. 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°).   Такой   расплав   будет   менее   вязким   (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 – CaCO3 (известь, известняк, мел). Стекло, исходными компонентами шихты которого являются кварцевый песок, сода и известь, называют натрий­кальциевым. Оно составляет около 90 %   получаемого   в   мире   стекла.   При   варке   карбонаты   натрия   и   кальция разлагаются в соответствии с уравнениями:  СаСО3 = CaO + СO2; Na2CO3 = Na2O + CO2 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 стекле всегда содержится немного глинозема Аl2О3, попадающего из стенок стекловаренного сосуда. Иногда его добавляют специально. Каждый из   перечисленных   оксидов   обеспечивает   стеклу   специфические   свойства. Поэтому, варьируя эти оксиды и их количество, получают стекло с заданными свойствами.  Например,  введение   оксида   бора  В2О3  приводит   к  понижению коэффициента   теплового   расширения   стекла,   а   значит,   делает   его   болееустойчивым   к   резким   температурным   изменениям.   Оксид   свинца   сильно увеличивает   показатель   преломления   стекла.   Оксиды   щелочных   металлов увеличивают растворимость стекла в воде, поэтому для химической посуды используют стекло с малым их содержанием. В табл. 1 приведен состав (в %) некоторых типичных промышленных стекол. Таблица 1 Виды стекла Оконное Бутылочное Хрустальное Лабораторное Оптическое SiO2 В2O3 Al2O3 К2О Na2O СаО MgO Рb3O4 ВаО ZnO 72  70  56  85 34 – – – 9 13 – – 11 4 – – – 33 – – – – – – 46 2 3 – 2 3 14 17 – 4 – 9  8 – – – 3 2 – – – – – – – – Сода   –   сырье   относительно   дорогое   и   имеющее   огромный   спрос   со стороны   различных   отраслей   народного   хозяйства.   Поэтому   в   качестве источника   Na2O   при   варке   стекла   используют   также   природный   минерал Na2SO4. В СССР его огромные залежи имеются на месте бывшего залива Кара­ Богаз­Гол (рядом с Каспийским морем). Однако в этом случае варка стекла требует более высоких температур. Кроме того, в шихту необходимо вводить уголь для восстановления серы в соответствии с уравнением: 2Na2SO4 + C  Na2O + 2SO2 + CO2 При варке стекла первым плавится оксид щелочного металла, после чего в этом расплаве начинают растворяться зерна кварца и известняка, вступая в химическое взаимодействие. Поэтому чем больше в стекле оксидов щелочных металлов, тем при меньших температурах оно плавится. В Древнем Египте, когда   техника   получения   высоких   температур   была   несовершенна,   в стеклоделии   преобладали   рецепты   с   повышенным   содержанием   оксидов щелочных металлов (до 30 %) и малым содержанием извести (около 3–5 %). В эллинистическую эпоху, с усовершенствованием техники получения высоких температур, содержание оксидов щелочных металлов снижается до 16–17 %, а содержание извести повышается до 10 %. Естественно, что такие стекла стали более стойкими к воде. В настоящее время варка стекла проводится при температуре   1400–1500   °С   в   течение   нескольких   часов.   Процесс   варки стеклоделы делят на три стадии: провар шихты, осветление (удаление мошки и свилей), студка – осторожное охлаждение. «Мошкой» стеклоделы называют мелкие пузырьки газа, распределенные по всей массе стекла. Ее удаление из жидкой массы производят «бурлением» при   помощи   деревянной   чурки   или   обыкновенного   сырого   картофеля. Помещенные в жидкое стекло, они дают обильное выделение газов, которые и очищают   от   мошки   всю   массу.   Ее   наличие   в   изделиях   считается   браком. Мошка особенно недопустима в оптических стеклах. Стекольным   свилем   называют   нитеобразные   потоки,   подобные   тем, которые   можно   наблюдать   в   процессе   растворения   сахара   в   воде   примедленном   перемешивании.   Свиль   –   это   видимая   граница   двух   соседних участков   стекольной   массы.   Наличие   свилей   свидетельствует   о   плохой перемешанности стекольной массы при варке, то есть о ее низком качестве. Охлаждение стекла, а точнее изделий из него, проводят медленно, чтобы избежать в нем напряжений. При быстром охлаждении стекла поверхностные слои тела затвердевают и могут иметь температуру, близкую к комнатной, а внутренние   части,   вследствие   низкой   теплопроводности,   могут   иметь температуру   до   1000   °С.   Поскольку   внутренние   части   при   охлаждении сжимаются,   а   наружные   уже   не   уменьшаются   в   размере,   в   них   возникают высокие поверхностные сжимающие напряжения. Внутренние слои, наоборот, испытывают   высокие   растягивающие   напряжения.   Такое   стеклянное   тело называют «закаленным». Закаленное стекло обладает высокой механической прочностью. Однако у него есть и недостатки. При нарушении поверхностного слоя (например, нанесении царапины), то есть при нарушении сжимающих и растягивающих сил, закаленное стекло разлетается вдребезги. При медленном охлаждении стеклянного тела растягивающие и сжимающие напряжения не возникают. Такое стекло называют «отожженным». Мелкие изделия, например столовая   посуда,   отжигаются   (охлаждаются)   в   течение   нескольких   часов. Крупные   и   прецизионные   изделия,   например   линзы   астрономических объективов диаметра 1 м и более, отжигаются в течение нескольких месяцев. 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 оксида­красителя. Например, оксид кобальта (II) в малых количествах дает голубое стекло, а в больших – фиолетово­синее   с   красноватым   оттенком.   Оксид   меди   (II)   в   натрий­ кальциевом стекле дает голубой цвет, а в калиево­цинковом – зеленый. Оксид марганца (II) в натрий­кальциевом стекле дает красно­фиолетовую окраску, а в  калиево­цинковом  –  сине­фиолетовую.  Оксид   свинца  (II)   усиливает   цвет стекла и придает ему яркие оттенки. Бутылочное стекло низкого сорта, как правило, имеет окраску, которая зависит от присутствия в нем ионов Fe2+  и Fe3+. Стекольное сырье трудно очищается от железа, и поэтому в дешевых сортах оно всегда присутствует. Ионы Fe2+  хорошо поглощают лучи света с длиной   волны   примерно   600   ммк   (желтые   и   красные)   и,   следовательно, окрашивают стекло в дополнительный голубой цвет. Ионы Fe3+  поглощают лучи с длиной волны 500 ммк (синие и фиолетовые), окрашивая стекло  в желтоватый цвет. Важно отметить, что ионы Fе2+  в области видимого света имеют   удельное   поглощение,   примерно   в   10   раз   большее,   чем   ионы   Fe3+.Поскольку в стекле одновременно содержатся как ионы Fe2+, так и ионы Fe3+, они и придают стеклу зеленоватую окраску (бутылочный цвет). 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 СeО2, а также оксид мышьяка (III) As2O3  и оксид сурьмы (III) Sb2O3. Химически обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов Fe3+) в желтовато­зеленоватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При физическом   обесцвечивании   в   состав   стекла   вводят   «красители»,   то   есть ионы,   которые   окрашивают   его   в   дополнительные   к   окраске,   создаваемой ионами   железа,   тона   –   это   оксиды   никеля,   кобальта,   редкоземельных элементов, а также селен. Диоксид марганца МnО2 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. Следует также отметить, что окрашенное стекло иногда предохраняет содержимое   бутылок   от   нежелательного   фотохимического   воздействия. Поэтому окраску бутылочного стекла иногда специально усиливают. Одним из важнейших свойств стекла является прозрачность. Однако в ряде   случаев   стеклу   специально   придают   непрозрачность   путем   его «глушения».   Это   процесс,   в   результате   которого   стекло   становится непрозрачным.   Вещества,   способствующие   помутнению   стекла,   называют глушителями. Глушение происходит вследствие распределения по всей массе стекла   мельчайших   кристаллических   частиц.   Они   представляют   собой нерастворившиеся частицы глушителя или частицы, выделившиеся из жидкой массы   при   охлаждении   стекла.   Эти   частицы   обычно   прозрачны,   но   их показатель   преломления   отличается   от   показателя   преломления   стекла. Поэтому падающий на них луч отклоняется от прямолинейного направления и стекло   перестает   быть   прозрачным.   В   далеком   прошлом   в   качестве глушителей стекла использовали костную муку, содержащую фосфат кальция Са3(РО4)2,   а   также   оксиды   олова   SnO,   мышьяка   As2O3  и   сурьмы   Sb2О3.   В настоящее   время   для   этой   цели   применяют   криолит,   плавиковый   шпат   и другие фторидные соединения. Сильно заглушенное стекло (белого цвета) называют молочным. Для его изготовления чаще всего используют криолит. Молочное стекло применяют главным образом для изготовления осветительной арматуры. 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 изделий из стекла доопределенной   температуры   стабильность   стекломассы   снижается,   и   она переходит в тонкозернистый кристаллический материал. Технологи научились проводить процесс кристаллизации стекла, исключая его растрескивание. При производстве изделий из стеклокристаллических материалов сначала формуют   стеклянные   изделия,   которые   затем   повторным   нагреванием подвергают направленной кристаллизации. 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, санитарно­тех­ ническое оборудование. В быту ситаллы чаще всего 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 докрасна состоянии и опустить в ледяную воду или, наоборот, 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 50­х годов текущего столетия, когда был выдан   на   них   первый   патент.   Это   так   называемые   «безопасные»   стекла. Вероятно, каждому городскому жителю довелось видеть на автотранспорте разбитое лобовое стекло. Первым из «безопасных» стекол, примененных для остекления автомобилей, был триплекс. Он и в настоящее время несет свою службу. При ударе на триплексе образуются многочисленные радиальные и концентрические трещины, но не осколки. Это резко снижает возможность ранения   осколками   стекла   пассажиров.   Триплекс   состоит   из   пакета, образованного   из   двух   или   более   листов   обыкновенного   стекла,   между которыми проложена прозрачная пластичная пленка, прочно соединенная со стеклом склеивающим составом. Благодаря прочной склейке образующиеся при ударе осколки удерживаются на прокладке. Наиболее распространенным является трехслойный триплекс. В качестве органической прокладки в нем используют   целлулоид.   Его   изготовление   включает   следующие   операции: стекла   покрываются   с   одной   стороны   раствором   желатина   в   воде   и высушиваются,   целлулоидная   прокладка   обрабатывается   с   двух   сторон дигликолевоспиртовым составом, собранный пакет помещается в вакуум, азатем подогревается до 100 °С и прессуется в автоклаве при давлении около 15   атм.   Заключительной   операцией   после   обточки   абразивными   кругами является   шпаклевка   кромок   триплекса   смолистыми   составами,   что предотвращает действие воды на желатин и расслаивание изделия. В   промышленном   строительстве   широко   применяют  армированное стекло,   внутрь   которого   введена   металлическая   сетка.   Это   стекло   также может   быть   отнесено   к   безопасным,   так   как   при   ударе   его   осколки   не рассыпаются,   а   удерживаются   сеткой.   Армированные   стекла   обладают противопожарными свойствами, поскольку задерживают развитие пламени в помещениях.   Это   происходит   потому,   что   от   пламени   такие   стекла   не высыпаются из рамы, а лишь растрескиваются. В результате они препятствуют образованию сквозняков, раздувающих огонь. 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  главная область  его применения – строительство.   Пеностекло   является   исключительно   эффективным материалом для заполнения внутренних и наружных стен зданий. Оно легко поддается   механической   обработке:   пилению,   резанию,   сверлению   и обтачиванию на токарном станке. Для изготовления пеностекла используют стеклянный бой и различные отходы   стекольного   производства.   К   ним   добавляют   пенообразователи, которые образуют газы при высокой температуре: кокс, мел и др. Стеклянный бой   и   пенообразователи   подвергаются   тонкому   измельчению   и   хорошо перемешиваются. Смесь помещается в железные формы и нагревается в печи до 700–800 °С, при которых пылинки стекла спекаются и образуют полости. При   дальнейшем   повышении   температуры   пенообразователи   приводят   к образованию   газов,   растягивающих   стеклянные   полости   (процесс вспенивания). Затем следует довольно резкое охлаждение, в результате чего вязкость стекольной массы повышается, пена становится устойчивой и при дальнейшем охлаждении окончательно закрепляется. 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, то есть приближается по этой характеристике к мягкой стали. Из нитей изготавливают  стекловату, стекловолокно  и  стеклоткани.   Нетрудно   догадаться,   в   каких   областях используются   эти   материалы.   Стекловата   обладает   прекрасными   тепло­   и звукоизоляционными   свойствами.   Ткани,   изготовленные   из   стеклянного волокна, обладают чрезвычайно высокой химической стойкостью. Поэтому ихприменяют   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 свойствами. Стеклопластики и стеклотекстолиты. Первыми называют материалы, получаемые   путем   горячего   прессования   стекловолокна,   перемешанного   с синтетическими   смолами.   В   качестве   смол   чаще   всего   используют полиэфирные,   фенольные,   эпоксидные   и   карбамидные.   В   стеклопластиках стекловолокно играет роль армирующего материала, придающего изделиям высокую   механическую   прочность   при   малой   плотности.   Они   успешно конкурируют с алюминием и сталью. Стеклопластики (волнистые и плоские) применяют в строительстве для покрытия крыш и устройства внутренних перегородок. В судостроительной промышленности   из   них   делают   корпуса   лодок   и   катеров,   в электротехнической   их   применяют   для   изготовления   аккумуляторных батарей, а в угольной – для труб и при­забойных стоек. В некоторых странах из них изготавливают кузова автомобилей, не подвергающиеся коррозии. Стеклопластики   на   основе   стеклянных   тканей   называют стеклотекстолитами. Их получают пропиткой теми же смолами стеклотканей. Затем заготовки сушат, разрезают на куски определенного формата, собирают в пакеты и прессуют под давлением. Стеклопластики изготавливают также на основе нетканых стекломатериалов. По сравнению со стеклотекстолитами последние имеют меньшую прочность на   разрыв.   Эти   материалы   идут   на   изготовление   облицовочных   изделий, жесткой кровли, стеклошифера, стеклочерепицы, оконных проемов.