Стекло как химический элемент


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.

СТЕКЛО | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

СТЕКЛО. Любой материал, который при охлаждении переходит из жидкого состояния в твердое без кристаллизации, правильно называть стеклом независимо от его химического состава. Под это определение подпадают как органические, так и неорганические материалы. Однако стекла, используемые в широком обиходе, почти всегда изготавливают из неорганических оксидов.

СВОЙСТВА

Широкая употребительность стекла обусловлена неповторимым и своеобразным сочетанием физических и химических свойств, не свойственным никакому другому материалу. Например, без стекла, вероятно, не существовало бы обычного электрического освещения в том виде, в каком мы его знаем. Не было найдено никакого другого материала для колбы электрической лампы, который объединял бы в себе такие важные качества, как прозрачность, теплостойкость, механическая прочность, хорошая свариваемость с металлами и дешевизна. Аналогично, прецизионные оптические элементы микроскопов, телескопов, фотоаппаратов, кино- и видеокамер и дальномеров в отсутствие стекла, вероятно, не из чего было бы изготовить. Все указанные выше свойства в конечном счете связаны с тем фактом, что стекла являются аморфными, а не кристаллическими материалами.

При комнатной температуре стекло представляет собой твердый хрупкий материал и обычно остается таковым при повышении температуры вплоть до 400° С. Однако при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается, вначале почти незаметно, пока, наконец, не 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).

ПРОИЗВОДСТВО СТЕКЛА

Сырьевые материалы.

Смесь, или шихта, из которой приготавливается стекло, содержит некоторые главные материалы: кремнезем (песок) почти всегда; соду (оксид натрия) и известь (оксид кальция) обычно; часто поташ, оксид свинца, борный ангидрид и другие соединения. Шихта также содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от обстоятельств, окислители, обесцвечиватели и красители либо глушители. После того как эти материалы тщательно перемешаны друг с другом в требуемых соотношениях, расплавлены при высокой температуре, а расплав охлажден достаточно быстро, чтобы воспрепятствовать образованию кристаллического вещества, получается целевой материал – стекло.

Хотя песок внешне не похож на стекло, большинство распространенных стекол содержат от 60 до 80 мас.% песка, и этот материал как бы образует остов, относительно которого протекает процесс стеклообразования. Стеклообразующий песок – это кварц, наиболее распространенная форма кремнезема. Он подобен песку с морского пляжа, из которого, однако, удалено большинство посторонних примесей. Оксид натрия Na2O обычно вводится в шихту в виде кальцинированной соды (карбоната натрия), однако иногда используется бикарбонат или нитрат натрия. Все эти соединения натрия разлагаются до Na2O при высоких температурах. Калий применяется в форме карбоната или нитрата. Известь добавляется в виде карбоната кальция (известняка, кальцита, осажденной извести) либо иногда в виде негашеной (CaO) или гашеной (Ca(OH)2) извести. Главные источники монооксида бора для производства стекла – бура и борный ангидрид. Оксид свинца обычно вводится в шихту в виде свинцового сурика или свинцового глета.

Типы стекол.

Кварцевое стекло.

Стекло, состоящее из одного только кремнезема, правильно называть плавленым кварцем или кварцевым стеклом. Это простейшее стекло по своим химическим и физическим свойствам, и оно обладает многими необходимыми параметрами: не подвергается деформированию при температурах вплоть до 1000° С; его коэффициент теплового расширения очень низок, и поэтому оно обладает стойкостью к термоудару при резком изменении температуры; его объемное и поверхностное удельные электрические сопротивления весьма высоки; оно отлично пропускает как видимое, так и ультрафиолетовое излучение. К сожалению, кварцевое стекло с большим трудом плавится и перерабатывается в изделия. Высокая стоимость кварцевого стекла ограничивает его применение изделиями специального назначения, такими, как химико-лабораторная посуда, ртутные лампы и компоненты оптических систем, работающие при высоких температурах.

Натриево-силикатные стекла.

Натриево-силикатные стекла получают сплавлением кремнезема (оксида кремния) и соды (оксида натрия). Смесь 1 части оксида натрия (Na2O) с 3 частями оксида кремния (SiO2) плавится при температуре, на ~900° С более низкой, чем чистый кремнезем; оксид натрия действует как сильный флюс. К сожалению, такие стекла растворяются в воде, и хотя они чрезвычайно важны для промышленного применения, из них нельзя изготавливать большинство изделий.

Известковые стекла.

Древние стеклоделы обнаружили, что водорастворимость натриево-силикатных стекол можно устранить добавлением извести. Анализы древних стекол показывают поразительное сходство их химического состава с составом современных стекол, хотя современные стеклоделы, в отличие от древних, знают также, что добавление небольших количеств других оксидов, например оксида магния MgO, оксида алюминия Al2O3, оксида бария BaO, дополнительно повышает качество стекла. Если главные ингредиенты шихты – оксиды Na2O, CaO и SiO2, то получаемые стекла называются натриево-известково-силикатными, натриево-известковыми или просто известковыми стеклами независимо от присутствия других составляющих. С небольшими изменениями в составе эти стекла широко используются для изготовления листового и зеркального стекла, стеклотары, колб электроламп и многих других изделий. Эти стекла относительно легко плавятся и перерабатываются в изделия, а сырьевые материалы для них недороги. Вероятно, 90% производимого сегодня стекла является известковым.

Свинцовые стекла.

Свинцовые стекла изготавливают сплавлением оксида свинца PbO с кремнеземом, соединением натрия или калия (содой или поташем) и малыми добавками других оксидов. Эти свинцово-натриево(или калиево)-силикатные стекла дороже известковых стекол, однако они легче плавятся и проще в изготовлении. Это позволяет использовать высокие концентрации PbO и низкие – щелочного металла без ущерба для легкоплавкости. Такой состав поднимает диэлектрические свойства материала до такого уровня, что делает его одним из лучших изоляторов для использования в радиоприемниках и телевизионных трубках, в качестве изолирующих элементов электроламп и конденсаторов. Высокое содержание PbO дает высокие значения показателя преломления и дисперсии – двух параметров, весьма важных в некоторых оптических приложениях. Те же самые характеристики придают свинцовым стеклам сверкание и блеск, украшающие самые утонченные изделия столовой посуды и произведения искусства. Большинство стекол, называемых хрусталем, являются свинцовыми.

Боросиликатные стекла.

Стекла с высоким содержанием SiO2, низким – щелочного металла и значительным – оксида бора B2O3 называются боросиликатными. Борный ангидрид действует как флюс для кремнезема, так что содержание щелочного металла в шихте может быть резко уменьшено без чрезмерного повышения температуры расплавления. В 1915 фирма «Корнинг гласс уоркс» начала производить первые боросиликатные стекла под торговым названием «пирекс». В зависимости от конкретного состава стойкость к термоудару таких стекол в 2–5 раз выше, чем у известковых или свинцовых; они обычно намного превосходят другие стекла по химической стойкости и имеют свойства, полезные для применения в электротехнике. Такое сочетание свойств сделало возможным производство новых стеклянных изделий, в том числе промышленных труб, рабочих колес центробежных насосов и домашней кухонной посуды. Зеркало крупнейшего телескопа в мире на г. Паломар в Калифорнии изготовлено из стекла сорта «пирекс».

Другие стекла.

Существуют много других типов стекол специального назначения. Среди них – алюмосиликатные, фосфатные и боратные стекла. Производятся также стекла с разнообразной окраской для изготовления линз, светофильтров, осветительного оборудования, косметической тары и домашней утвари.

Варка.

Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при высоких температурах (от 1200 до 1600° С) в течение продолжительного времени – от 12 до 96 ч. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла.

В древние времена варка производилась в глиняных горшочках глубиной и диаметром 5–7 см. В настоящее время применяются шамотные горшки гораздо больших размеров, вмещающие от 200 до 1400 кг шихты, для производства оптического, художественного и других видов стекла специального состава. В одной печи могут выдерживаться от 6 до 20 горшков. Большие массы стекла варятся в ванных печах непрерывного действия. 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 работали в течение пяти лет, прежде чем возникала необходимость в ремонте. Крупные печи, иногда вмещающие несколько сот тонн расплавленного стекла, приспосабливаются к интенсивному механическому производству. Как горшковые, так и ванные печи обычно нагреваются сжиганием природного газа или мазута.

Переработка в изделия.

В отношении переработки в изделия стекло отличается от большинства других материалов двумя особенностями. Во-первых, оно должно перерабатываться, будучи чрезвычайно горячим и полужидким. Во-вторых, операции формования должны выполняться за короткие периоды, длящиеся от нескольких секунд до, самое большее, нескольких минут, – за это время стекло охлаждается до состояния твердого тела. При необходимости дальнейшей обработки стекло вновь должно быть нагрето. В расплавленном состоянии стекло может быть вытянуто в длинные нити, обладающие гибкостью при высокой температуре, извлечено из общей массы погруженным в него инструментом в виде небольшого сгустка, подцеплено концом стеклодувной трубки либо разлито в формы для получения отливок или прессовок. Поскольку стекло легко сплавляется с металлом, отдельные части сложного изделия соединяются друг с другом после повторного нагрева, благодаря которому также обеспечивается чистота соединяемых поверхностей. Вращение заготовки с постоянной скоростью при обработке придает изделию осесимметричную форму. Готовые стеклянные изделия подвергаются процессу отжига со стадией медленного охлаждения для релаксации напряжений. За все время производства стекла были созданы четыре главных метода его обработки: выдувание, прессование, прокатка и литье. Первые три метода используются как в мелкосерийном ручном, так и в непрерывном машинном производстве. Литье, однако, трудно приспособить к крупносерийному производству.

Последние достижения.

В разработке средств механизации для быстрого и дешевого производства стеклянных изделий в 20 в. было достигнуто больше успехов, чем за всю предыдущую историю стекольного дела. В 1900-х годах, хотя уже были заложены основы механизации технологических процессов и массового производства, стекло все еще использовалось главным образом для получения только пяти видов изделий: бутылок, столовой посуды, окон, линз и украшений. С тех пор стекло стало производиться многими предприятиями и нашло применение буквально в тысячах различных областей. Теперь стекло легко приспосабливают к требованиям заказчика. Оно может быть прозрачным, полупрозрачным или непрозрачным, окрашенным или бесцветным. Некоторые виды стекла так же легки, как алюминий, а другие так же тяжелы, как чугун; есть стекла, по прочности превосходящие сталь. Из них изготавливаются волокна в 10 раз тоньше человеческого волоса и листы, столь же тонкие, как бумага. Стеклянные изделия могут быть крошечными, хрупкими и легкими или такими массивными, как сплошное 508-сантиметровое, 20-тонное зеркало Паломарского телескопа.

Плоское стекло.

В течение и сразу после Первой мировой войны были разработаны новые и полностью непрерывные методы изготовления как оконного, так и зеркального стекла. В 1928 было создано многослойное безосколочное стекло для автомобилей. Вскоре после этого было освоено производство закаленного плоского стекла путем термообработки (закалки с высоким отпуском) твердых полированных листов. Этот процесс повышает прочность в несколько раз и дает продукт с исключительно высокими гибкостью и стойкостью к истиранию и всем видам механического и теплового удара. Когда такое стекло разбивается, оно распадается не на длинные, острые осколки, как обычное стекло, а на маленькие округлые кусочки, которые относительно безвредны. Отпуск оказывается эффективным при упрочнении не только плоского стекла, но и кухонной посуды, мерного стекла, линз защитных очков и круглых колб светильников. Стеклопакеты, заменяющие вставные оконные переплеты, – сравнительно новая разработка конструкции с плоским стеклом. Они состоят из двух или более листов стекла, герметично соединенных по периметру рамкой. Пространство между листами заполняют очищенным и осушенным воздухом. По сравнению с одинарным остеклением стеклопакеты уменьшают теплопотери почти на 50% и надолго избавляют от проблем, связанных с применением наружного оконного переплета, проникновением пыли и конденсацией влаги.

Стеновые стеклоблоки.

Производство стеновых стеклоблоков и стекловолокна началось в 1931. Трудно вообразить два других вида стеклянных изделий, столь непохожих друг на друга. Стеновые стеклоблоки массивны и изготовляются сваркой двух прессованных полублоков с образованием герметической полости между ними. Такие элементы монтируются при строительстве с использованием обычных инструментов и материалов. Получаемые из них «стены дневного света» пропускают большую часть падающего на них солнечного излучения, но уменьшают его яркость, обеспечивают хорошую теплоизоляцию и практически исключают конденсацию влаги. Эти полезные свойства обусловили широкое использование стеновых стеклоблоков как элементов строительных конструкций.

Стекловолокно.

В отличие от бытового стекла стекловолокно обычно изготавливается в форме нитей диаметром меньше 1 мкм. Поскольку каждое волокно представляет собой, по существу, сплошной стеклянный стержень, в объеме оно обладает всеми свойствами стекла. Стекловолокно термостойко и негорюче. Оно не поглощает влаги, не гниет и не подвержено химическому разложению. Оно атмосферо-, кислото-, масло- и коррозионностойко, а также не проводит электричества. Из стекловолокна можно изготавливать нити, ленты, оплетки и корд. Из несколько более толстых, коротких волокон получают упругую ватоподобную массу, называемую стекловатой. В такой форме стекловолокно – отличный теплоизолятор. Различные виды стекловолокна в сочетании с асбестом, слюдой, пластмассами и силиконами дают превосходные композиционные материалы. Действительно, материалы, состоящие из параллельных стеклянных нитей, внедренных в сложный полиэфир или другую матрицу, по прочности на единицу массы могут быть намного прочнее обычных конструкционных материалов, включая сталь, алюминий, магний и титан. Армированные стекловолокном пластмассы этого типа теперь широко используются для изготовления деталей самолетов и ракет, труб, резервуаров, корпусов лодок и строительных панелей. Промышленность стекловолокон выросла с удивительной быстротой ввиду широкого применения этого вида стекла в композиционных материалах.

Специальное кварцевое стекло.

В 1939 был изобретен еще один замечательный вид стекла, названный 96%-м кварцевым стеклом. Этот продукт по своим свойствам практически эквивалентен чистому плавленому кварцу, однако он может производиться дешевле и с большим разнообразием форм и размеров. Стойкость к термоудару этого вида стекла настолько велика, что после нагрева до точки размягчения его можно сразу же опустить в холодную воду, не вызвав разрушения. Удельное электрическое сопротивление и химическая стойкость этого вида стекла также весьма высоки. Некоторые разновидности 96%-го кварцевого стекла обладают исключительно высоким пропусканием в середине ультрафиолетовой области спектра, что позволяет использовать такое стекло в солнечных и бактерицидных лампах, лабораторном оборудовании и специальных электротехнических изделиях.

Пеностекло.

Пеностекло – еще один продукт изобретательности стеклоделов – по структуре похоже на хлеб и может распиливаться на куски нужного размера. Разработанное в 1940, это стекло так мало весит, что не тонет в воде, и все же является жестким, не горит и не выделяет запахов. Такая аномалия свойств создается после смешения тонко измельченных кокса и стекла и нагрева смеси до высокой температуры. Смесь мучнистого вида расплавляется, превращаясь в черную пену, которая заполняет объем формы и потом застывает. В результате получается твердый ячеистый материал с сотнями тысяч заполненных воздухом изолированных ячеек на 1 дм3. После снятия форм блоки пеностекла разрезаются до нужных размеров. Этот замечательный продукт весит примерно столько же, сколько весит пробка, и во время Второй мировой войны использовался в качестве заменителя пробки, а также пробковой древесины, пористой резины и капка. Как и пробка, пеностекло – отличный изолятор. Однако в отличие от пробки на него не влияют сырость и конденсация влаги, так что оно очень подходит для обкладки холодильных камер и бытовых холодильников. Пеностекло в равной мере успешно может применяться и для высокотемпературной теплоизоляции вплоть до 425° С, поскольку оно не только не горит, но и заглушает огонь. Новый сорт пеностекла содержит 99% кремнезема и может использоваться при температуре до 1200° С.

Металлизация.

На поверхность стекла можно наплавить тонкий слой металла; при этом соединение получается настолько прочным, что к металлическому покрытию можно припаять довольно массивные металлические детали. Этот метод широко применяется в радио- и электротехнической промышленности.

Проводящие покрытия.

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. Такое покрытие весьма долговечно и имеет поверхностное сопротивление в пределах от 10 до 100 Ом/см2. 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.

Электротехнические изделия.

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.

Светочувствительные стекла.

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. Скажем, 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, именных табличек и декоративных плиток, 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.

Стеклокерамика.

Это гибридное название относится к материалам, которые вначале были произведены как стекла, а потом во всей своей массе переведены в кристаллическое состояние. Они выпускаются фирмой «Корнинг гласс уоркс» под зарегистрированными торговыми названиями «пирокерамика» и «фотокерамика».

Сырьевые материалы для изготовления стеклокерамики примерно те же, что и для изготовления стекла, однако включают некоторые дополнительные добавки, играющие роль зародышеобразователей. После формования одним из обычных способов – прессования, выдувания или прокатки – изделие нагревается до температуры образования ядер кристаллизации. В 1 см3 изделия образуются миллиарды таких ядер, которые вырастают до мельчайших кристаллов, хотя никакой видимой кристаллизации не происходит. Затем температура повышается, и во всем объеме стеклообразного изделия начинается кристаллизация вокруг кристаллов-зародышей. Процесс продолжается до тех пор, пока растущие кристаллы не наталкиваются друг на друга и вся масса изделия не становится кристаллической за исключением малых областей стеклообразной матрицы на границах кристалла. Температуры переработки, зародышеобразования и кристаллизации зависят от состава стекла. В некоторых случаях образование ядер кристаллизации производится воздействием рентгеновского или ультрафиолетового излучения с последующей термообработкой.

В отличие от обычной керамики, стеклокерамика не имеет пор, а ее кристаллы меньше размером и более однородны. По сравнению со стеклом-основой стеклокерамика тверже, не деформируется до более высоких температур и в несколько раз прочнее. Одним из первых ее применений были обтекатели ракет. Теперь широко используется стеклокерамическая посуда, которую можно переставлять из холодильника прямо на плиту. Лабораторная посуда, цилиндры двигателей и даже шарикоподшипники изготавливаются из стеклокерамики. Эти разработки – главное достижение в технологии стекла. См. также КОНСТРУКЦИОННЫЕ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ; КЕРАМИКА ПРОМЫШЛЕННАЯ.

Стекло. Виды и применение. Свойства и производство. Особенности

Стекло – группа материалов имеющих различную химическую структуру, общим показателем для которых является свойство переходить при охлаждении из жидкого состояния в твердое без образования кристаллической решетки.

Технология производства

Существует много разновидностей стекла, технология производства которых отличается. В общем ее можно описать как варку. Материал в зависимости от применяемого сырья расплавляется и выдерживается при температуре 1200-1600°С на протяжении  от 12 до 96 ч. За этот период времени используемая сырьевая масса поддается химическим изменениям. В материале происходит множество химических реакций, в конце которых он приобретает свойства стекла.

Сформированная при варке масса в горячем состоянии является жидкой. В вязком состоянии она используется для формирования различных изделий, которые при застывании становятся твердыми.

Стекло варится в шамотных горшках вместимостью до 1,5 тонны. В одну печь помещают от нескольких до 10-20 горшков. Также на некоторых производствах применяются ванные печи, которые работают в режиме непрерывной варки стекла до 5 лет, после чего меняются или поддаются ремонту.

Стекольная масса нуждается в соблюдении строгого температурного режима при остывании. Если изделие остынет быстрее допустимой скорости, то оно треснет. В связи с этим на производстве этому уделяется особое внимание.

Свойства стекла
Материал сочетает в себе ценные качества, такие как:
  • Прозрачность.
  • Твердость.
  • Низкий коэффициент температурного расширения.
  • Малая теплопроводность.
  • Термостойкость.
  • Высокая твердость.

При всех достоинствах, у стекла имеется и недостаток – хрупкость. В отличие от металлов и прочих материалов при механическом воздействии оно не деформируется, а разлетается на осколки. Осколки могут иметь острые кромки, что несет опасность.

Материал имеет достаточно большую массу. По этому показателю он практически приравнивается ко многим видам металлов. При этом зачастую стекла гораздо тверже, и могут поцарапаться только алмазным инструментом или изделиями с твердыми напайками.

Виды стекла по сырьевому составу
Для изготовления стекла может использоваться различное сырье. От него зависят свойства и внешний вид материала. Различают следующие разновидности стекла:
  • Кварцевое.
  • Натриево-силикатное.
  • Известковое.
  • Свинцовое.
  • Боросиликатное.

Существуют и другие разновидности стекол, которые однако не нашли промышленной популярности. Они больше подходят для узкоспециализированных задач. К примеру, такой редкой разновидностью является урановое стекло, которое раньше использовалось для изготовления ваз, чаш и прочей посуды.

Кварцевое стекло

Материал является самым простым в плане сложности химического состава. По сути это просто сваренный кварцевый песок. Хотя изделие и простое в плане состава, но сложное в изготовлении. Это связано с высокой температурой плавки песка. С расплавленной кварцевой массой сложно работать, формируя необходимые изделия, что делает материал не распространенным.

В частности из него делают химические стаканы, колбы для ртутных ламп. Для менее ответственных изделий его применение нерационально. Важным качеством кварцевого стекла является высокая температурная устойчивость. Оно не меняет свою форму при нагреве до температуры +1000°С.  Материал хорошо переносит резкие перепады температуры. При неравномерном сильном разогреве или охлаждении поверхности он может давать трещины.

Натриево-силикатные

Материал получается в результате совместной варки оксида кремния и оксида натрия. Последний компонент это обычная сода, которая действует как флюс. Плавка и варка стекла выполняется при температуре +900°С.  Главная особенность таких стекол в том, что они растворяются в воде. Однако, несмотря на это они получили широкое распространение в промышленности.

Известковые

Это стекло является практически натриево-силикатным, в которое добавлена известь. Включение последнего компонента делает материал устойчивым к растворению в воде. Именно этот тип стекла широко использовали в древности благодаря сравнительной легкости его производства.

Известковые стека производят и в наше время, но немного по усовершенствованной технологии. В него добавляют оксид алюминия, оксид магния и прочие компоненты, позволяющие повысить качество готового изделия. Зачастую оконные стекла сделаны именно из этого материала, как и большинство зеркал. Массовая доля всего производимого в мире стекла является известковым.

Свинцовые

Несмотря на название, в состав этого стекла помимо свинца также включены сода, кремнезем и еще несколько оксидов. Этот материал является очень эффективным электрическим изолятором. Благодаря этому его используют при изготовлении микросхем, изоляторов для конденсаторов.

Эта разновидность стекла отличается повышенным блеском. Подавляющее число так называемых хрустальных изделий являются свинцовыми стеклами. Это дорогой материал с высокими декоративными качествами.

Боросиликатные

В став боросиликатного стекла включен оксид бора. За счет этого материал отличается высокой устойчивостью к температурному воздействию как минимум в 2 раза выше, чем у обычных видов стекла. Его часто называют пирекс. Это его торговое название, которое было присвоено производителем, разработавшим его рецептуру. Высокая стойкость материала к термоудару делают боросиликатное стекло популярным при производстве посуды. Из него делают тарелки, кастрюли, чашки и т.д.

Виды стекол применяемых в остеклении
Помимо различия по сырью, также осуществляется классификация стекла на виды и по другим критериям. Они бывают:
  • Ламинированные.
  • Закаленные.
  • Армированные.
  • Энергосберегающие.
  • Солнцезащитные.
  • окрашенные в массе.
  • Окрашенные.
Ламинированные

Ламинированное стекло также называют триплекс. Это листовой материал, состоящий из нескольких слоев обычного стекла, между которыми располагается пленка или полимер. Наличие последних делает материал более крепким и безопасным. При разбивании он не разлетается на мелкие осколки. В связи с этим его используют для изготовления лобовых стекол для автомобилей.

В целом материал имеет массу достоинств. Его сложнее разбить, он лучше останавливает ультрафиолет. За счет пленки при взгляде на него с внешней стороны создается эффект поляризации, снижающий просматривание.

Закаленные

Эти стекла поддаются термической или химической обработки. За счет этого они становятся более крепкими и твердыми. Их очень сложно разбить или поцарапать. Их используют для изготовления триплекса, стеклопакетов для окон. В случае разбивания, что бывает редко, закаленное стекло разлетается на мелкие не острые безопасные осколки.

Армированные

Эти стекла содержат внутри металлическую сетку. Она выступает в качестве армирующего слоя. За счет нее обеспечивается высокая ударопрочность. В случае разбивания осколки стекла удерживаются на сетке. Это позволяет ему по-прежнему выполнять свою функцию, хотя и менее эффективно.

Стекло считается эффективным для удержания распространения огня и дыма. Его часто используют для остекления хозяйственных построек, СТО, гаражей, автомоек. За счет сетки внутри окна разбиваются с меньшей вероятностью, чем обычные стекла. Армированное изделие хорошо пропускает свет, но искажает изображение. По этой причине оно совершенно непригодно для установки в окна домов, административных и офисных зданий.

Энергосберегающие

Это низкоэмиссионные виды стекла. Они наделены весьма важным качеством – отражают обратно тепловые лучи при воздействии с одной стороны. Их применяют для сборки стеклопакетов для окон. За счет них тепло помещения при попадании на остекление не проходит наружу. При этом свет и тепло от солнечных лучей проникают внутрь помещения без проблем.

Эффект энергосбережения может достигаться напылением на стекла специального состава или путем приклеивания пленки. Нужно отметить, что энергосберегающее остекление может дополнительно работать и в обратную сторону, препятствовать проникать солнечного тепла внутрь помещения.

Солнцезащитное

Изделие этого типа работает на отражение солнечного тепла. Оно используется для изготовления стеклопакетов. Оно размещается отражающей стороной на улицу, за счет чего внешнее тепло не проникает в помещение. Стоимость такого стекла может существенно отличаться. Самые дорогие способны отражать солнечное тепло, при этом пропускать внутрь практически весь свет. За счет этого в помещение поступает нормальное дневное освещение.

Окрашенные в массе

Такое стекло является менее прозрачным. За счет этого оно поглощает часть света и тепла. Чаще всего при его изготовлении используются цветные пигменты: зеленые, коричневые, бронзовые, серые.

За счет поглощения тепла поверхность стекла сильно разогревается. Установлено, что у стекол с поглощением света на 50% температура поверхности днем может дойти до +90°С. Касание к ним в такие моменты вызывает ожог на коже. Использование таких стекол на окнах также нежелательно и по причине пагубного влияния на человека. Тусклый свет через такое окно приводит к нарушению ориентированию во времени, порчи зрения.

Окрашенные

Такие стекла изначально являются прозрачными. Для снижения пропускной способности они могут окрашиваться с одной из сторон. Как следствие сквозь них может проникать меньше света. Кроме этого отдельные виды красок дают возможность сохранить отличную прозрачность с одной стороны и зеркальный эффект с другой.

Похожие темы:

Химия стекла, ч.1 - В каждой бусине целый мир... — ЖЖ

Из книги "Химия вокруг нас" Юрий Кукушкин

В повседневной жизни люди постоянно пользуются изделиями и веществами, полученными путем химических превращений. Более того, не подозревая о том, в быту человек сам часто осуществляет химические реакции. Книга построена в форме отдельных рассказов о распространенных веществах, материалах и химических процессах, повседневно используемых человеком.


Стекло

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.
Изделия из стекла так же, как и из керамики, практически не подвергаются атмосферным воздействиям и хорошо сохраняются даже под слоем земли. Эти изделия оказались важнейшими документами далекого прошлого. Они донесли до нас бесценную информацию об уровне культуры и техники древних народов. Благодаря стеклу до нашего времени дошли величайшие художественные произведения различных эпох культуры человечества.
Первый стекольный завод в России был построен в 1636 г. близ г. Воскресенска под Москвой. На нем выдували оконное стекло и стеклянную посуду. Через 30 лет в селе Измайлово, также под Москвой, был построен завод, на котором изготовляли высококачественные стаканы, графины, фляги, рюмки, кувшины и др. Особенно быстро стеклоделие развилось при Петре I. В XVIII в. около Москвы действовало шесть стекольных заводов.
Главный потребитель стекла в настоящее время – строительная индустрия. Больше половины всего вырабатываемого стекла приходится на оконное для остекления зданий и транспортных средств: автомашин, железнодорожных вагонов, трамваев, троллейбусов. Кроме того, стекло используют в качестве стенового и отделочного материала в виде пустотелых кирпичей, блоков из пеностекла, а также облицовочных плиток. Примерно треть производимого стекла идет на изготовление сосудов различного типа и назначения. Это прежде всего стеклянная тара – бутылки и банки. В большом количестве стекло расходуется на изготовление столовой посуды. Стекло пока незаменимо для производства химической посуды. В довольно большом количестве из стекла изготавливают вату, волокно и ткани для тепловой и электрической изоляции.
Относительная дешевизна стеклянных строительных материалов обусловливается широким распространением, а следовательно, доступностью и дешевизной сырья. Расплавленное стекло является удобным материалом для формования в изделия механизированным способом. Стекло хорошо поддается механической обработке. Это также снижает стоимость стеклянных изделий. Стекло пилят так же, как дерево, но для этого в кромку дисковой пилы зачеканивают алмазный или иной твердый порошок. Его можно сверлить обыкновенными стальными сверлами, применяя специальную смачивающую жидкость. Стекло колют на куски при помощи простого инструмента, напоминающего колун для дров, но действующим не ударом, а постепенно нарастающим усилием. Стекло можно обрабатывать на токарном станке резцами из особо твердой стали, вытачивая фигурные колонки так же, как из дерева или металла. Стекло шлифуют и полируют, применяя обычные абразивные порошки, инструменты и методы, давно известные и широко используемые в металлообрабатывающем производстве. 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 используются 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 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 – CaCO3.
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
CaCO3 → CaО + CO2
В результате в состав стекла входят оксиды SiO2, Na2O и CaО. Они образуют сложные соединения – силикаты, которые являются натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты.
В стекло вместо Na2O с успехом можно вводить K2О, а CaО 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 Al2O3, 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 B2O3 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. В табл. 1 приведен состав (в%) некоторых типичных промышленных стекол.
Таблица 1
Стекло Si02 B2O3 Al2O3 Na2O K2О CaО MgO Pb3O4 ВаО ZnO
Оконное 72 – 2 14 – 9 3 – – –
Бутылочное 70 – 3 17 – 8 2 – – –
Хрустальное 56 – – – 11 – – 33 – –
Лабораторное 85 9 2 4 – – – – – –
Оптическое 34 13 3 – – – – – 46 4
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-Богаз-Гол (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 + С → 2Na2O + 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 извести повышается до 10%. Естественно, что такие стекла стали более стойкими к воде. В настоящее время варка стекла проводится при температуре 1400...1500°C 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 при медленном перемешивании. Свиль – это видимая граница двух соседних участков стекольной массы. Наличие свилей свидетельствует о плохой перемешанности стекольной массы при варке, т.е. о его низком качестве.
Охлаждение стекла, а точнее изделия из него проводят медленно, чтобы избежать в нем напряжений. При быстром охлаждении стекла поверхностные слои тела затв

Стекло: основные свойства и характеристики

С давних пор для осветления и придания жилому помещению уюта делали окна. Атак как стекло было большой редкостью, то вместо него использовались другие материалы. К счастью, в настоящее время стекло не редкость: его используют везде и для разных целей. Причем купить можно не только обыкновенное оконнное стекло, но и цветное для изготовления витражей.

Все твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Последние обладают свойством плавиться при достаточно высокой температуре. В отличие от кристаллических тел они имеют структуру лишь с небольшими участками упорядоченно соединенных ионов, причем эти участки соединены между собой так, что образуют асимметрию.

В науке (химия, физика) стеклом принято называть все аморфные тела, которые образуются в результате переохлаждения расплава. Эти тела вследствие постепенного увеличения степени вязкости оказываются наделенными всеми признаками твердых тел. Они также обладают свойством обратного перехода из твердого в жидкое состояние.

Стеклом в обыденной жизни называют прозрачный хрупкий материал. В зависимости от того или иного компонента, входящего в состав исходной стекломассы, в промышленности различают следующие виды стекла: силикатные, боратные, боросиликатные, алюмосиликатные, бороалюмосиликатные, фосфатные и другие.

Как и любое другое физическое тело, стекло обладает рядом свойств.

Физические и механические свойства стекла

Плотность стекол зависит от компонентов, входящих в их состав. Так, стекломасса, в больших количествах включающая оксид свинца, более плотная по сравнению со стеклом, состоящим помимо прочих материалов и из оксидов лития, бериллия или бора. Как правило, средняя плотность стекол (оконное, тарное, сортовое, термостойкое) колеблется от 2,24×10 в кубе — 2,9×10 в кубе кг/м3. Плотность хрусталя несколько больше: от 3,5 х 10 в кубе — 3,7 х 10 в кубе кг/м3.

Прочность. Под прочностью на сжатие в физике и химии принято понимать способность того или иного материала сопротивляться внутренним напряжениям при воздействии извне каких-либо нагрузок. Предел прочности стекла составляет от 500 до 2000 МПа (хрусталя — 700-800 МПа). Сравним эту величину с величиной прочности чугуна и стали: соответственно 600-1200 и 2000 МПа.

При этом степень прочности того или иного вида стекла зависит от химического вещества, входящего в его состав.

Более прочны стекла, включающие в свой состав оксиды кальция или бора. Низкой прочностью отличаются стекла с оксидами свинца и алюминия.

Предел прочности стекла на растяжение составляет всего 35-100 МПа. Степень прочности стекла на растяжение в большей степени зависит от наличия различных дефектов, образующихся на его поверхности. Различные повреждения (трещины, глубокие царапины) значительно снижают величину прочности материала. Для искусственного увеличения показателя прочности поверхность некоторых стеклоизделий покрывают кремнийорганической пленкой.

Хрупкость — механическое свойство тел разрушаться под действием внешних сил. Величина хрупкости стекла в основном зависит не от химического состава образующих его компонентов, а в большей степени от однородности стекломассы (входящие в его состав компоненты должны быть беспримесными, чистыми) и толщины стенок стеклоизделия.

Твердостью обозначают механическое свойство одного материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого. Определить степень твердости того или иного материла можно с помощью специальной таблицы-шкалы, отражающей свойства некоторых минералов, которые расположены по возрастающей, начиная с менее твердого, талька, твердость которого взята за единицу, и заканчивая самым твердым — алмазом с твердостью в 10 условно принятых единиц.

Часто твердость стекла «измеряют» с помощью шлифования, используя так называемый метод определения абразивной твердости. В таком случае ее величина устанавливается в зависимости от скорости отслаивания единицы поверхности стеклоизделия при определенных условиях проведения шлифовки.

Степень твердости того или иного вида стекла в основном зависит от химического состава входящих в него компонентов. Так, использование при создании стекломассы оксида свинца значительно снижает твердость стекла. И, напротив, силикатные стекла достаточно плохо поддаются механической обработке.

Теплоемкостью называют свойство тел принимать и сохранять определенное количество теплоты при каком-либо процессе без изменения состояния.

Теплоемкость стекла прямо зависит от химического состава компонентов, входящих в состав исходной стекломассы. Его удельная теплота при средней температуре равна 0,33-1,05 Дж/(кгхК). Причем чем выше в стекломассе содержание оксидов свинца и бария, тем ниже показатель теплопроводности. Но вот легкие оксиды, такие, например, как оксид лития, способны повысить теплопроводность стекла.

При изготовлении стеклоизделий следует помнить о том, что аморфные тела, обладающие низкой теплоемкостью, остывают значительно медленнее, чем тела с высоким показателем теплоемкости. У таких тел наблюдается также увеличение количества теплоемкости с повышением внешней температуры. Причем в жидком состоянии этот показатель растет несколько быстрее. Это характерно и для стекол различных типов.

Теплопроводность. Таким термином в науке обозначают свойство тел пропускать через себя теплоту от одной поверхности до другой, при условии, что у последних разная температура.

Известно, что стекло плохо проводит тепло (кстати, это свойство широко используется в строительстве зданий). Уровень его теплопроводности в среднем составляет 0,95-0,98 Вт/(м х К). Причем наболее высокий показатель теплопроводности отмечен у кварцевого стекла. С уменьшением доли оксида кремния в общей массе стекла или при замене его на любое другое вещество уровень теплопроводности понижается.

Температура начала размягчения — это такая температура, при которой тело (аморфное) начинает размягчаться и плавиться. Самое твердое —- кварцевое — стекло начинает деформироваться только при температуре 1200-1500 °С. Другие типы стекол размягчаются уже при температуре 550-650 0С. Эти показатели важно учитывать при различных работах со стеклом: в процессе выдувания изделий, при обработке краев этих изделий, а также при термической полировке их поверхностей.

Величина температуры начала плавления того или иного сорта и вида стекла определяется химическим составом компонентов. Так, тугоплавкие оксиды кремния или алюминия повышают температурный уровень начала размягчения, а легкоплавкие (оксиды натрия и калия), напротив, понижают.

Тепловое расширение. Этим термином принято обозначать явление расширения размеров того или иного тела под воздействием высоких температур. Эту величину очень важно учитывать при изготовлении стеклоизделий с различными накладками по поверхности. Материалы для отделок следует подбирать так, чтобы величина их теплового расширения соответствовала тому же показателю стекломассы основного изделия.

Коэффициент теплового расширения стекол прямо зависит от химического состава исходной массы. Чем больше в стекломассе щелочных оксидов, тем выше показатель температурного расширения, и, наоборот, присутствие в стекле оксидов кремния, алюминия и бора снижает эту величину.

Термостойкостью определяется способность стекла не поддаваться коррозии и разрушению в результате резкой смены внешней температуры. Этот коэффициент зависит не только от химического состава массы, но и от размера изделия, а также от величины теплоотдачи на его поверхности.

Оптические свойства стекла

Преломление света — так в науке называют изменение направления светового луча при его прохождении через границу двух прозрачных сред. Величина, показывающая преломлние света стекла, всегда больше единицы.

Отражение света — это возвращение светового луча при его падении на поверхность двух сред, имеющих различные показатели преломления.

Дисперсия света — разложение светового луча в спектр при его преломлении. Величина дисперсии света стекла прямо зависит от химического состава материала. Наличие в стекломассе тяжелых оксидов увеличивает показатель дисперсии. Именно этим свойством и объясняется явление так называемой игры света в хрустальных изделиях.

Поглощением света определяют способность той или иной среды уменьшать интенсивность прохождения светового луча. Показатель поглощения света стекол невысок. Он увеличивается лишь при изготовлении стекла с применением различных красителей, а также особых способов обработки готовых изделий.

Рассеяние света — это отклонение световых лучей в различных направлениях. Показатель рассеяния света зависит от качества поверхности стекла. Так, проходя сквозь шероховатую поверхность, луч частично рассеивается, и потому такое стекло выглядит полупрозрачным. Это свойство, как правило, используют при изготовлении стеклянных абажуров для ламп и плафонов для светильников.

Химические свойства стекла

Среди химических свойств необходимо особо выделить химическую стойкость стекла и изделий из него.

Химической стойкостью в науке называют способность того или иного тела не поддаваться воздействию воды, растворов солей, газов и влаги атмосферы. Показатели химической стойкости зависят от качества стекломассы и воздействующего агента. Так, стекло, не подвергающееся коррозии при действии воды, может деформироваться при воздействии щелочных и солевых растворов.

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.

Chemical Elements.com - Справка



Ниже приводится краткое объяснение всех пунктов информационных бюллетеней


Основная информация

Символ - Каждому элементу присвоен химический символ. Этот символ обычно происходит от его названия или его латинского названия. Например, кремний имеет химический символ «Si». Символ каждого элемента состоит из заглавной буквы, за которой следуют одна или две строчные буквы.
Атомный номер - Каждый атом имеет атомный номер.Этот атомный номер равен количеству протонов в ядре этого конкретного атома. Например, элемент кобальт (Со) имеет атомный номер 27. Этот атомный номер также является числом протонов в атоме. Таким образом, Co имеет 27 протонов.
Mass - Масса атома, выраженная в атомных единицах массы (AMU), примерно равна количеству протонов плюс количество нейтронов. Это потому, что и протоны, и нейтроны в атоме имеют относительно равную массу.Масса электрона настолько незначительна, что не представлена ​​в атомной массе. Поскольку не все атомы имеют только один изотоп 1 , атомная масса является средним значением для всех изотопов после вычисления содержания. Например, если вы возьмете контейнер с водородом (H), 99,984% его будет H-1, 0,0156% - H-2, а 0% водорода - H-3. Поскольку H-1 имеет один протон и не имеет нейтронов, его масса равна 1. Поскольку H-2 имеет один протон и один нейтрон, его масса равна 2.Следовательно, когда вы вычисляете процентное содержание изотопов H в любом контейнере, вы обнаруживаете, что атомная масса H на самом деле равна 1,0079. Если атомная масса конкретного элемента указана в скобках, например (145) для прометия (Pm), атомная масса отражает массу наиболее стабильного изотопа 1 , а не является средней атомной массой для всех изотопов элемент. Атомные массы, используемые в этой периодической таблице, взяты из рекомендаций IUPAC 1995 года.
Точка плавления - Точка плавления любого элемента - это температура, при которой элемент переходит из твердого состояния в жидкое или из жидкости в твердое.Хотя вода не является элементом, я буду использовать ее в этом примере. Вода замерзает, а лед тает при температуре 0 ° C (32 ° F). Следовательно, температура плавления воды составляет 0 ° C. Температура плавления указывается в градусах Цельсия, Фаренгейта и Кельвина. Точка плавления вещества также является точкой замерзания.
Точка кипения - Точка кипения любого элемента - это температура, при которой он переходит из жидкости в газ или из газа в жидкость. Вы, наверное, знаете, что вода превращается в пар, а пар превращается в воду при температуре 100 ° C (212 ° F).Температура кипения воды 100 ° C. Следовательно, точка кипения также является точкой конденсации. Температура кипения указывается в градусах Цельсия, Фаренгейта и Кельвина.
Число протонов / электронов - Число протонов / электронов в любом атоме всегда равно атомному номеру атома. Каждый атом имеет нейтральный заряд, а поскольку протон имеет положительный заряд, а электрон - отрицательный, для достижения нейтрального заряда количество протонов и электронов должно быть одинаковым.Частица, которая не является нейтральной (имеет больше или меньше электронов), называется ионом.
Количество нейтронов - Количество нейтронов в атоме равно количеству протонов в атоме, вычтенном из массы атома, округленной до ближайшего целого числа. Это верно, потому что и нейтроны, и протоны имеют атомный вес приблизительно 1 AMU 2 (см. Массу). Поскольку в атомах часто содержится более одного изотопа 1 , количество нейтронов, указанное в информационных бюллетенях по элементам, действительно только для наиболее распространенного изотопа любого элемента.
Например, бор (B) имеет атомную массу 10,81 и атомный номер 5. Если округлить 10,81 до ближайшего целого числа, результат будет 11. Когда вы вычтете количество протонов (равное атомному номеру) из атомная масса, результат 6. Следовательно, наиболее распространенный изотоп бора имеет 6 нейтронов.
Классификация - Классификация любого элемента связана с его свойствами. Каждая таблица Менделеева может использовать разные названия групп и классифицировать каждый элемент немного по-своему.В этой периодической таблице используются 9 семейств:

Кристаллическая структура - Термин «кристаллическая структура» относится к способу, которым атомы расположены внутри вещества (элемента). Это свойство объясняет, как элемент раскалывается или физически разрушается. Например, элемент с кубической кристаллической структурой, такой как алюминий (Al), разобьется на кубики. Каждая сторона куба должна иметь прямую кромку.
Плотность - Плотность элемента указывает на то, насколько плотно упакованы его атомы.Это измеряется в граммах на кубический сантиметр. Возьмем, например, магний (Mg). Его плотность при 293 градусах Кельвина (20 градусов Цельсия, 67 градусов Фаренгейта) составляет 1,738 г / см 3 . Это означает, что если у вас есть блок магния при комнатной температуре (293 Кельвина), и вы решили разрезать куб размером 1 x 1 x 1 см, масса, которую вы нарежете, составит 1,738 грамма. Чем больше плотность элемента, тем он «тяжелее».
Цвет - Цвет элемента означает физическое отражение света при нормальных условиях.Например, олово (Sn) при комнатной температуре будет иметь белый цвет. Эти свойства могут измениться, если олово нагреть до точки плавления, когда оно станет жидкостью, или если оно будет освещено светом, отличным от белого.

Другие имена - Некоторые элементы имеют более одного имени или написания. Это может быть вызвано либо местной орфографией, либо спором об именах. Например, элемент «алюминий» (Al) пишется как «алюминий» в Соединенных Штатах, но произносится «алюминий» как «алюминий» в большинстве других Англоязычные страны, включая Великобританию, Канаду и Австралию.
Между Американским химическим обществом (ACS) и Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC) возник спор об именах по элементам 104-109. ACS использовала имена, предложенные первооткрывателем, в то время как IUPAC решил оставить процесс присвоения имен группе из 20 членов. Пока этот спор об именах не будет разрешен, в этой периодической таблице будут использоваться систематические латинские имена, автоматически присваиваемые вновь обнаруженным элементам.
Более подробная информация о наименовании тяжелых элементов имеется.

Атомная структура

Количество энергетических уровней - Количество энергетических уровней указывает на то, сколько «электронных оболочек» или мест, где электроны могут быть в элементе. Элемент с 4 оболочками, такой как цинк (Zn), имеет 4 различных области, где, вероятно, может быть обнаружен электрон.
Расположение электронов - Расположение электронов в атоме относится к числу электронов на каждом уровне энергии. Например, углерод (C) имеет 6 электронов. Его атомное расположение показывает, что шесть электронов разделены на две оболочки с 2 и 4 электронами соответственно.
Электронная конфигурация - Электронное устройство, описанное выше, может быть дополнительно описано для включения информации об орбиталях, оболочках и многом другом. Это объяснение выходит за рамки этого документа, но если вы уже знаете, что означают эти числа, они предоставляются здесь для вас.
Bohr Models - В этой периодической таблице модели Бора теперь доступны для всех 112 известных элементов. Эти модели призваны дать некоторое представление о том, как электроны распределяются по энергетическим уровням.Однако сейчас большинство ученых считает модель Бора неточной. Это связано с тем, что модели Бора показывают, что электроны движутся по определенным путям или орбиталям, теория, которая теперь была заменена теорией, которая утверждает, что электрон имеет большую вероятность находиться в определенной области (или «энергетическом уровне») атома.

Полужизни

Период полураспада - Период полураспада определяется как среднее время, за которое половина атомов радиоактивного элемента распадается на дочерние элементы.Например, углерод-14 (изотоп углерода, используемый для датировки окаменелостей) имеет период полураспада 5730 лет. Это означает, что если вы возьмете контейнер с углеродом-14 и оставите его без изменений на 5730 лет, около 50% углерода останется как углерод-14, а остальные 50% распадутся до дочернего элемента углерода-14 (азота). . Если вы подождете еще 5730 лет, около 25% контейнера будет состоять из исходного углерода, а остальные 75% - из атомов азота. Некоторые элементы, особенно более тяжелые, имеют период полураспада всего в несколько миллисекунд.Например, у унунбия-277 (Uub) период полураспада составляет всего 280 миллисекунд. Это означает, что за одну секунду существования унунбия 94% его радиоактивно распадется на дочерний элемент.

Факты

Дата открытия - Дата открытия любого элемента относится к году, когда он был впервые выделен и идентифицирован как элемент. Некоторые элементы были обнаружены ранними цивилизациями и имеют неизвестную дату открытия.
Открыватель (и) - Открыватель элемента определяется как первый человек, который идентифицировал элемент.В последние годы группы ученых работали над идентификацией новых элементов, что позволило использовать более одного названия в этой области.
Происхождение имени - Источником имени элемента является язык / объект / свойство / лицо, которое дает элементу его имя. Некоторым элементам присвоены имена известных ученых, важных мифологических персонажей или мест. Названия других элементов взяты из иностранных языков, например латыни. Наиболее недавно обнаруженные элементы имеют временное систематическое название, присвоенное IUPAC 3 .
Происхождение символа - Если химический символ элемента не соответствует его названию, его происхождение символа указано в этой периодической таблице. Например, элемент свинец имеет химический символ «Pb». Происхождение символа происходит от латинского слова «plumbum», что означает «свинец».
Использует - В этом поле указывается наиболее распространенное использование каждого элемента, как элемента или соединения, содержащего элемент.
Получено из - Метод получения элемента также указан в этом разделе.Некоторые элементы получают из минералов, другие получают с помощью таких методов, как электролиз минерала, а другие являются искусственными.

Формат MLA для цитирования этой страницы

Цитирование этой страницы - На каждой странице я предоставил текущий формат Ассоциации современного языка (MLA) для цитирования моих веб-страниц в отчетах и ​​других работах. Я не требую, чтобы вы использовали какой-либо конкретный формат для цитирования этих страниц, но стиль MLA является наиболее распространенным, используемым в школе K-12 и некоторых колледжах.Чтобы процитировать эту страницу, например, вы должны использовать:

Бентор, Йинон. Chemical Elements.com - Справка . .

(Где вы видите " ", замените дату, когда вы заходили на сайт, если она неверна. Проверьте часы вашего компьютера, чтобы изменить ее, если она неправильная.) Если это цитирование превышает одну строку, вам нужно будет использовать выступ (отступ каждой строки, но первое).
Дополнительную информацию о цитировании онлайн-источников с использованием формата MLA можно найти на сайте http: // www.mla.org.

1: Изотоп - это атом любого элемента с таким же количеством протонов и электронов, что и все другие атомы этого конкретного элемента, но с другой атомной массой (и количеством нейтронов).
2: АМУ - единицы атомной массы
3: IUPAC - Международный союз теоретической и прикладной химии

Эта страница была создана Йинон Бентор.
Использование этого веб-сайта ограничено лицензией этого сайта. соглашение.
Авторские права © 1996-2012 Йинон Бентор.Все права защищены.

.

Элементаль - Элемент Калий

Что в названии? От английского слова potash . Химический символ калия происходит от латинского слова, обозначающего щелочь, kalium .

Сказать что? Калий произносится как poh-TASS-ee-em .

Хотя калий является восьмым по распространенности элементом на Земле и составляет около 2,1% земной коры, он является очень реактивным элементом и никогда не встречается в природе свободным. Металлический калий был впервые выделен сэром Хамфри Дэви в 1807 году посредством электролиза расплавленного едкого калия (КОН).Через несколько месяцев после открытия калия Дэви использовал тот же метод для выделения натрия. Калий можно получить из минералов сильвита (KCl), карналлита (KCl · MgCl 2 · 6H 2 O), лангбейнита (K 2 Mg 2 (SO 4 ) 3 ) и полигалита. (K 2 Ca 2 Mg (SO 4 ) 4 · 2H 2 O). Эти минералы часто встречаются в древних озерах и морях. Каустический калий, еще один важный источник калия, добывается в основном в Германии, Нью-Мексико, Калифорнии и Юте.

Чистый калий - мягкий, воскообразный металл, который можно легко разрезать ножом. Он реагирует с кислородом с образованием супероксида калия (KO 2 ) и с водой с образованием гидроксида калия (КОН), газообразного водорода и тепла. Вырабатывается достаточно тепла, чтобы зажечь газообразный водород. Чтобы предотвратить его реакцию с кислородом и водой в воздухе, образцы металлического калия обычно хранят погруженными в минеральное масло.

Калий образует сплав с натрием (NaK), который используется в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов.

Калий образует много важных соединений. Хлорид калия (KCl) - наиболее распространенное соединение калия. Он используется в удобрениях, как заменитель соли и для производства других химикатов. Гидроксид калия (КОН) используется для изготовления мыла, моющих средств и средств для очистки канализации. Карбонат калия (KHCO 3 ), также известный как жемчужная зола, используется для производства некоторых видов стекла и мыла и коммерчески добывается как побочный продукт при производстве аммиака. Супероксид калия (KO 2 ) может создавать кислород из водяного пара (H 2 O) и диоксида углерода (CO 2 ) посредством следующей реакции: 2KO 2 + H 2 O + 2CO 2 => 2ХСО 3 + О 2 .Он используется в респираторном оборудовании и производится путем сжигания металлического калия в сухом воздухе. Нитрат калия (KNO 3 ), также известный как селитра или селитра, используется в удобрениях, спичечных головках и пиротехнике.

.Кремний

| Элемент, атом, свойства, использование и факты

Узнайте о процессе добычи и очистки кремния

Обзор кремния, включая добычу и обработку.

Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Майнц См. Все видео по этой статье

Кремний (Si) , неметаллический химический элемент семейства углерода (Группа 14 [IVa] периодической таблицы). Кремний составляет 27,7% земной коры; это второй по распространенности элемент в коре, уступающий только кислороду.

кремний

Химические свойства элемента кремний.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Британская викторина

118 Названия и символы из таблицы Менделеева

Ли

Название silicis происходит от латинского слова silic или silicis , что означает «кремень» или «твердый камень».Аморфный элементарный кремний был впервые выделен и описан как элемент в 1824 году шведским химиком Йенсом Якобом Берцелиусом. Загрязненный кремний был получен уже в 1811 году. Кристаллический элементарный кремний не был получен до 1854 года, когда он был получен как продукт электролиза. Однако в форме горного хрусталя кремний был знаком египтянам додинастического периода, которые использовали его для изготовления бус и небольших ваз; ранним китайцам; и, вероятно, многим другим древним. Изготовлением стекла, содержащего кремнезем, занимались как египтяне - по крайней мере, еще в 1500 г. до н. Э. - так и финикийцы.Конечно, многие из встречающихся в природе соединений, называемых силикатами, использовались в различных видах строительных растворов для строительства жилищ древними людьми.

Йенс Якоб Берцелиус

Йенс Якоб Берцелиус, фрагмент масляной картины Улофа Йохана Седермарка, 1843 г .; в Шведской королевской академии наук, Стокгольм.

Предоставлено Svenska Portrattarkivet, Stockholm
Свойства элемента
атомный номер 14
атомный вес 28.086
точка плавления 1410 ° C (2570 ° F)
точка кипения 2355 ° C (4270 ° F)
плотность 2,33 г / см 3
степень окисления −4, (+2), +4
электронная конфигурация 1 с 2 2 с 2 2 p 6 3 с 2 3 p 2

Возникновение и распространение

По весу содержание кремния в земной коре превышает только кислород.Оценки космического содержания других элементов часто приводятся в терминах числа их атомов на 10 6 атомов кремния. Только водород, гелий, кислород, неон, азот и углерод превосходят кремний по количеству в космосе. Кремний считается космическим продуктом поглощения альфа-частиц при температуре около 10 9 К ядрами углерода-12, кислорода-16 и неона-20. Энергия, связывающая частицы, образующие ядро ​​кремния, составляет около 8,4 миллиона электрон-вольт (МэВ) на нуклон (протон или нейтрон).По сравнению с максимумом около 8,7 миллионов электрон-вольт для ядра железа, почти вдвое массивнее, чем у кремния, эта цифра указывает на относительную стабильность ядра кремния.

Состав земной коры

Минеральный состав земной коры.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Чистый кремний слишком реакционноспособен, чтобы его можно было найти в природе, но он содержится практически во всех породах, а также в песке, глинах и почвах в сочетании с кислородом в виде кремнезема (SiO 2 , диоксид кремния) или кислородом и другими элементами (например,g., алюминий, магний, кальций, натрий, калий или железо) в виде силикатов. Окисленная форма, такая как диоксид кремния и особенно силикаты, также распространена в земной коре и является важным компонентом мантии Земли. Его соединения также встречаются во всех природных водах, в атмосфере (в виде кремнистой пыли), во многих растениях, а также в скелетах, тканях и биологических жидкостях некоторых животных.

Цикл диоксида кремния

Цикл диоксида кремния в морской среде. Кремний обычно встречается в природе в виде диоксида кремния (SiO 2 ), также называемого кремнеземом.Он проходит через морскую среду, попадая в основном через речной сток. Кремнезем удаляется из океана такими организмами, как диатомовые водоросли и радиолярии, которые используют аморфную форму кремнезема в своих клеточных стенках. После смерти их скелеты оседают через толщу воды, и кремнезем снова растворяется. Небольшое их количество достигает дна океана, где они либо остаются, образуя кремнистый ил, либо растворяются и возвращаются в фотическую зону в результате апвеллинга.

Encyclopædia Britannica, Inc. Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

В составе соединений диоксид кремния встречается как в кристаллических минералах (например, кварц, кристобалит, тридимит), так и в аморфных или кажущихся аморфными минералах (например, агат, опал, халцедон) на всех участках суши. Природные силикаты характеризуются своим обилием, широким распространением, сложностью структуры и состава. Большинство элементов следующих групп периодической таблицы содержится в силикатных минералах: группы 1–6, 13 и 17 (I – IIIa, IIIb – VIb, VIIa).Эти элементы называют литофильными или любящими камни. Важные силикатные минералы включают глины, полевой шпат, оливин, пироксен, амфиболы, слюды и цеолиты.

гранит

Гранит - магматическая порода. Он состоит из минералов полевого шпата, кварца и одного или нескольких видов слюды.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Свойства элемента

Элементарный кремний коммерчески производится восстановлением кремнезема (SiO 2 ) с помощью кокса в электрической печи, а затем нечистый продукт очищается.В небольших масштабах кремний можно получить из оксида восстановлением алюминием. Практически чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния или трихлорсилана. Для использования в электронных устройствах монокристаллы выращивают путем медленного извлечения затравочных кристаллов из расплавленного кремния.

Чистый кремний представляет собой твердое темно-серое твердое вещество с металлическим блеском и октаэдрической кристаллической структурой, такой же, как у алмазной формы углерода, с которой кремний имеет много химического и физического сходства.Пониженная энергия связи в кристаллическом кремнии делает этот элемент более мягким и химически более активным, чем алмаз. Была описана коричневая порошкообразная аморфная форма кремния, которая также имеет микрокристаллическую структуру.

кремний

Кремний очищенный, металлоид.

Enricoros

Поскольку кремний образует цепочки, подобные тем, что образованы углеродом, кремний был изучен как возможный основной элемент для кремниевых организмов. Однако ограниченное количество атомов кремния, которые могут катенировать, значительно сокращает количество и разнообразие соединений кремния по сравнению с соединениями углерода.Окислительно-восстановительные реакции не являются обратимыми при обычных температурах. В водных системах стабильны только степени окисления кремния 0 и +4.

Кремний, как и углерод, относительно неактивен при обычных температурах; но при нагревании он активно реагирует с галогенами (фтором, хлором, бромом и йодом) с образованием галогенидов и с некоторыми металлами с образованием силицидов. Как и в случае с углеродом, связи в элементарном кремнии достаточно сильны, чтобы требовать больших энергий для активации или ускорения реакции в кислой среде, поэтому на него не действуют кислоты, за исключением фтористоводородной.При нагревании красным светом кремний подвергается воздействию водяного пара или кислорода, образуя поверхностный слой диоксида кремния. Когда кремний и углерод объединяются при температурах электропечи (2 000–2 600 ° C [3 600–4 700 ° F]), они образуют карбид кремния (карборунд, SiC), который является важным абразивом. С водородом кремний образует серию гидридов, силанов. В сочетании с углеводородными группами кремний образует серию органических соединений кремния.

Известны три стабильных изотопа кремния: кремний-28, который составляет 92.21 процент элемента в природе; кремний-29 4,70%; кремний-30 - 3,09%. Известно пять радиоактивных изотопов.

Элементарный кремний и большинство кремнийсодержащих соединений оказались нетоксичными. Действительно, ткани человека часто содержат от 6 до 90 миллиграммов кремнезема (SiO 2 ) на 100 граммов сухого веса, а многие растения и низшие формы жизни ассимилируют кремнезем и используют его в своих структурах. Однако вдыхание пыли, содержащей альфа-SiO 2 , вызывает серьезное заболевание легких, называемое силикозом, которое часто встречается у шахтеров, камнерезов и керамистов, если не используются защитные устройства.

.

фтора | Использование, свойства и факты

Фтор (F) , наиболее реактивный химический элемент и самый легкий член галогеновых элементов или Группа 17 (Группа VIIa) периодической таблицы. Его химическая активность может быть объяснена его исключительной способностью притягивать электроны (это наиболее электроотрицательный элемент) и небольшим размером его атомов.

фтор

Свойства фтора.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Британская викторина

118 Названия и символы из таблицы Менделеева

Ta

Свойства элемента
атомный номер 9
атомный вес 18.998403163
точка плавления −219,62 ° C (−363,32 ° F)
точка кипения −188 ° C (−306 ° F)
плотность (1 атм, 0 ° C или 32 ° F) 1,696 г / литр (0,226 унции / галлон)
степени окисления -1
электронная конфигурация. 1 s 2 2 s 2 2 p 5

История

Фторсодержащий минерал плавиковый шпат (или флюорит) был описан в 1529 году немецким врачом и минералог Георгий Агрикола.Представляется вероятным, что сырая плавиковая кислота была впервые получена неизвестным английским стекольником в 1720 году. В 1771 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле получил плавиковую кислоту в нечистом состоянии путем нагревания плавикового шпата с концентрированной серной кислотой в стеклянной реторте, которая подверглась сильной коррозии. продукт; В результате в последующих экспериментах с веществом использовались сосуды из металла. Почти безводная кислота была получена в 1809 году, а два года спустя французский физик Андре-Мари Ампер предположил, что это соединение водорода с неизвестным элементом, аналогичным хлору, для чего он предложил название фтор.Плавиковый шпат затем был признан фторидом кальция.

Выделение фтора долгое время было одной из главных нерешенных проблем неорганической химии, и только в 1886 году французский химик Анри Муассан получил этот элемент путем электролиза раствора фтороводорода калия во фтористом водороде. Он получил Нобелевскую премию по химии 1906 года за выделение фтора. Сложность обращения с этим элементом и его токсичные свойства способствовали медленному прогрессу в химии фтора.Действительно, до Второй мировой войны элемент казался лабораторным диковинкой. Однако затем использование гексафторида урана для разделения изотопов урана, наряду с разработкой органических фторсодержащих соединений, имеющих промышленное значение, сделало фтор значительным промышленным химическим веществом.

Возникновение и распространение

Фторсодержащий минеральный плавиковый шпат (флюорит, CaF 2 ) веками использовался в качестве флюса (очищающего агента) в различных металлургических процессах.Название плавиковый шпат происходит от латинского слова fluere , «течь». Впоследствии выяснилось, что минерал является источником элемента, который получил название фтор. Бесцветные прозрачные кристаллы плавикового шпата при освещении приобретают голубоватый оттенок, и это свойство, соответственно, известно как флуоресценция.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Фтор встречается в природе только в форме своих химических соединений, за исключением следовых количеств свободного элемента в плавиковом шпате, который подвергся радиационному воздействию радия.Не редкий элемент, он составляет около 0,065 процента земной коры. Основными фторсодержащими минералами являются (1) плавиковый шпат, месторождения которого находятся в Иллинойсе, Кентукки, Дербишире, на юге Германии, юге Франции и России и являются основным источником фтора, (2) криолит (Na 3 AlF 6 ), главным образом из Гренландии, (3) фторапатит (Ca 5 [PO 4 ] 3 [F, Cl]), широко распространенный и содержащий различные количества фтора и хлора, (4) топаз ( Al 2 SiO 4 [F, OH] 2 ), драгоценный камень и (5) лепидолит, слюда, а также компонент костей и зубов животных.

Физические и химические свойства

При комнатной температуре фтор представляет собой слабый желтый газ с раздражающим запахом. Вдыхание газа опасно. При охлаждении фтор становится жидкостью желтого цвета. Существует только один стабильный изотоп элемента - фтор-19.

Поскольку фтор является наиболее электроотрицательным из элементов, атомные группы, богатые фтором, часто имеют отрицательный заряд. Метилиодид (CH 3 I) и трифториодметан (CF 3 I) имеют разные распределения заряда, как показано в следующих формулах, в которых греческий символ δ указывает на частичный заряд:

Первая энергия ионизации фтора очень высока (402 килокалорий на моль), что дает стандартное тепловыделение для катиона F + 420 килокалорий на моль.

Небольшой размер атома фтора позволяет упаковать относительно большое количество атомов или ионов фтора вокруг данного координационного центра (центрального атома), где он образует множество стабильных комплексов, например, гексафторсиликат (SiF 6 ) 2− и гексафторалюминат (AlF 6 ) 3−. Фтор - наиболее сильно окисляющий элемент. Следовательно, никакое другое вещество не способно окислять фторид-анион до свободного элемента, и по этой причине этот элемент не находится в свободном состоянии в природе.За более чем 150 лет все химические методы не смогли произвести элемент, успех был достигнут только с помощью электролитических методов. Однако в 1986 году американский химик Карл О. Кристе сообщил о первом химическом получении фтора, где «химическое получение» означает метод, в котором не используются такие методы, как электролиз, фотолиз и разрядка, или сам фтор используется в синтезе любого из исходные материалы. Он использовал K 2 MnF 6 и пентафторид сурьмы (SbF 5 ), оба из которых могут быть легко получены из растворов HF.

Высокая окислительная способность фтора позволяет элементу производить наивысшие степени окисления, возможные в других элементах, и известны многие фториды элементов с высокой степенью окисления, для которых нет других соответствующих галогенидов, например дифторид серебра (AgF 2 ), трифторид кобальта (CoF 3 ), гептафторид рения (ReF 7 ), пентафторид брома (BrF 5 ) и гептафторид йода (IF 7 ).

Фтор (F 2 ), состоящий из двух атомов фтора, соединяется со всеми другими элементами, кроме гелия и неона, с образованием ионных или ковалентных фторидов.Некоторые металлы, такие как никель, быстро покрываются фторидным слоем, который предотвращает дальнейшее разрушение металла элементом. Некоторые сухие металлы, такие как низкоуглеродистая сталь, медь, алюминий или монель (66 процентов никеля, 31,5 процента медного сплава), не подвергаются воздействию фтора при обычных температурах. Для работы с фтором при температурах до 600 ° C (1100 ° F) подходит монель; спеченный оксид алюминия устойчив до 700 ° C (1300 ° F). Когда требуются смазочные материалы, наиболее подходят фторуглеродные масла.Фтор бурно реагирует с органическими веществами (такими как резина, дерево и ткань), и контролируемое фторирование органических соединений под действием элементарного фтора возможно только при соблюдении особых мер предосторожности.

.

химический элемент - wikiwand

Для более быстрой навигации этот iframe предварительно загружает страницу Wikiwand для Chemical element .

Подключено к:
{{:: readMoreArticle.title}}

Из Википедии, свободной энциклопедии

{{bottomLinkPreText}} {{bottomLinkText}} Эта страница основана на статье в Википедии, написанной участники (читать / редактировать).
Текст доступен под Лицензия CC BY-SA 4.0; могут применяться дополнительные условия.
Изображения, видео и аудио доступны по соответствующим лицензиям.
{{current.index + 1}} из {{items.length}}

Спасибо за жалобу на это видео!

Пожалуйста, помогите нам решить эту ошибку, написав нам по адресу support @ wikiwand.com
Сообщите нам, что вы сделали, что вызвало эту ошибку, какой браузер вы используете и установлены ли у вас какие-либо специальные расширения / надстройки.
Спасибо! .

Смотрите также

Новости

Скидки 30% на ремонт квартиры под ключ за 120 дней

Компания МастерХаус предлагает качественные услуги по отделке, которые выполнены в соответствии с вашими пожеланиями. Даже самые невероятные фантазии можно воплотить жизнь, стоит только захотеть.

29-01-2019 Хиты:0 Новости

Подробнее

Есть вопросы? Или хотите сделать заказ?

Оставьте свои данные и мы с вами свяжемся в ближайшее время.

Индекс цитирования