Chemia: Szkło - produkcja, właściwości oraz zastosowanie

Szkło

Szkło jest ciałem amorficznym(Ciało amorficzne, ciało bezpostaciowe – stan skupienia materii charakteryzujący się własnościami reologicznymi(Reologia opisuje ten aspekt zachowania się ciał stałych, w którym upodobniają się one do lepkiej cieczy.) zbliżonymi do ciała krystalicznego, w którym nie występuje regularne uporządkowanie cząsteczek. Ciało będące w stanie amorficznym jest ciałem stałym, ale tworzące je cząsteczki są ułożone w sposób dość chaotyczny, bardziej zbliżony do spotykanego w cieczach.).

Molekuły te nie mają możliwości przemieszczania, albo możliwość ta jest ekstremalnie mała z powodu bardzo dużej lepkości. Każde szkło wykazuje dążność do krystalizacji, jednak nie dochodzi do niej nawet po bardzo długim czasie, z powodu bardzo dużej lepkości, która w warunkach normalnych jest takiego samego rzędu, jak dla krystalicznych ciał stałych. Wiele szkieł nie skrystalizuje nawet w skali rzędu czasu istnienia Wszechświata.

Twierdzenie, że szkło jest cieczą lub przechłodzoną cieczą jest nieprawidłowe, bowiem ze względu na właściwości reologiczne, szkło znajduje się w stanie stałym, choć nie krystalicznym.

Produkcja:

Szkło jest substancją powstałą w skutek stopienia w bardzo wysokiej temperaturze(1573^oC) piasku kwarcowego SiO₂, wapienia CaCO₃ i sody (węglanu sodu) Na₂CO₃, które następnie są szybko chłodzone. Podczas produkcji naczyń szklanych na początku przygotowywany jest zestaw szklarski, będący odpowiednią mieszaniną komponentów. Zestaw ten trafia do pieca (wanny szklarskiej) i topi się w temperaturze ok. 1500^oC. Następnie masa szklana wypływa i jest formowana poprzez pocięcie jej na porcje nazywane kroplami. Trafiają one do maszyny nadającej opakowaniu szklanemu odpowiedni kształt. Uformowane opakowanie jest uszlachetniane na gorąco związkami cyny. Potem następuje proces studzenia i uszlachetniania na zimno.

Podczas procesu topnienia gromadzą się pęcherzyki gazów takich jak CO₂, SO₂, O₂, które są produktami reakcji chemicznych zachodzących podczas procesu.

Proces topnienia musi być prowadzony w odpowiedniej temperaturze, co powoduje zmianę charakterystyki uzyskiwanego produktu. Ma to wpływ na jego przeznaczenie. Proces topnienia odbywa się w przedziale 900-1200^oC. Po stopnieniu otrzymuje się masę gotową do dalszej obróbki, tzn. walcowanie, ciągnięcie, wytłaczanie, prasowanie, wydmuchiwanie.

Wyróżnia się dwie metody obróbki: ręczną i mechaniczną. Dawniej większość czynności wykonywano ręcznie, dziś tylko wydmuchiwanie szkła jest czynnością nadal wykonywaną ręcznie.

Przykład formowania mechanicznego:

Przykład formowania ręcznego:

W procesie uszlachetniania na gorąco uformowane wcześniej butelki czy słoiki przechodzą do tunelu w której rozpyla się związek metalicznej cyny. Wnika ona w powierzchnię szkła dając wzrost odporności mechanicznej i nadając połysk.

W procesie odprężania wyróżnia się:
- ponowne podgrzewanie
- kontrolowane, wolne schładzanie.

Proces odprężania to właściwie minimalizowanie takiej wady szkła jak zbyt duże naprężenia wewnętrzne. Wadę tą nabywa masa szklana podczas procesów formowania, gdzie w szybki sposób schładza się. Aby usunąć tę wadę należy uformowaną już masę poddać ponownemu ogrzaniu do temperatury bliskiej temperaturze topnienia i pozostawić do powolnego wystygnięcia w temperaturze otoczenia. W procesie uszlachetniania na zimno szkło staje się jeszcze bardzie lśniące i estetyczne.

Na rysunku nr 1 przedstawiono proces technologiczny wyrobu szkła.

Właściwości i zastosowanie

Po dodaniu do masy szklanej odpowiednich tlenków metali można otrzymać szkło barwne, Przykłady:

Szkło zielone zawiera związki żelaza(II) i chromu(III):

Szkło niebieskie zawiera związki kobaltu(II):

Szkło fioletowe zawiera związki manganu(VII):

Szkło żółte zawiera związki kadmu i siarki:

Szkło czerwone zawiera koloidalne cząsteczki złota:

Właściwości szkła

- substancja bezpostaciowa, tzn. nie ma uporządkowanej budowy wewnętrznej
- nie posiada stałej temperatury topnienia
- słaby przewodnik dla elektryczności
- materiał o dużej odporności chemicznej (nie jest odporny na działanie kwasu fluorowodorowego)
- dobrze przepuszcza promienie widzialne
- ma twardą powierzchnię która nie reaguje z większością chemikaliów
-materiał izotropowy

Rodzaje szkła

Szkło kwarcowe: szkło, w którym głównym składnikiem jest kwarc. Charakteryzuje się niskim współczynnikiem rozszerzalności termicznej i niską absorpcją promieniowania ultrafioletowego. Stosowane jest do wyrobu aparatury laboratoryjnej ze względu na dużą odporność na nagłe zmiany temperatury oraz działanie kwasów. Używane jest również do wyrobu naczyń laboratoryjnych przepuszczających promieniowanie UV, elementów aparatury optycznej oraz do produkcji lamp kwarcowych.

Szkło jenajskie zwane też szkłem boro-krzemianowym – cechujące się stosunkowo niską temperaturą topnienia (ok. 400 °C), łatwością formowania i jednocześnie wysoką odpornością na nagłe zmiany temperatury. Jest ono stosowane w sprzęcie laboratoryjnym i kuchennym.

Szkło ołowiowe (kryształowe) – przepuszczalne dla ultrafioletu, o bardzo wysokim współczynniku załamania światła. Jest bezbarwne lub o odcieniu żółtym lub fioletowym. Używane do produkcji wyrobów dekoracyjnych, soczewek optycznych, przezroczystych osłon przed promieniowaniem rentgenowskim (o grubości równoważnej zwykle 2 lub 5 mm ołowiu) i promieniowaniem gamma.

Szkło sodowe – ma niską temperaturę topnienia. Składa się głównie z tlenku sodu, wapnia i krzemu. Stosowany głównie do produkcji szyb okiennych, naczyń, szklanek, słoików itp.

Zastosowanie szkła

– szyby (szkło płaskie stosowane do budowy wieżowców):

– kształtki szklane (kafle szklane, są zbrojone siatką wewnątrz, wykazują dużą odporność na uderzenia):

– szyby zespolone (szkła, które wykazują zwiększoną odporność na przenikanie zimna oraz dźwięków):

– Szkło bezpieczne (specjalne szkło, które po rozbiciu rozpada się na mało zaokrąglone kawałki, jest hartowane lub klejone.):

– szkło techniczne (laboratoryjne, oświetleniowe, optyczne, sanitarne):

–szkło akustyczne (jeden z rodzajów szkła piankowego, stosuje się go do wykładania sufitów i ścian w halach koncertowych, studiach nagrań, halach fabrycznych):