Warto przeczytać

Każdy z nas na co dzień ma do czynienia ze szkłem. Pijemy herbatę ze szklanek albo sok ze szklanej butelki; trzymamy kwiaty w szklanym wazonie; przeglądamy się rano w lustrze, pokrytym taflą szkła. Produkty ze szkła otaczają nas tak powszechnie, że nie zastanawiamy się nawet nad tym... czym szkło jest. A jest to ciekawa kwestia!

W przyrodzie wyróżniamy cztery podstawowe stany skupienia materii – ciała stałe, ciecze, gazy oraz plazmę. Szkło jest oczywiście ciałem stałym – zachowuje swoją objętość i kształt, niezależnie od tego, gdzie je umieścimy. Ale czy szkło jest tym samym typem ciała stałego, co np. lód lub sól kuchenna? Okazuje się, że nie! Ciała stałe możemy podzielić na krystaliczne i niekrystaliczne zwane również amorficznymi (rysunek 1). Czym różnią się one od siebie? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy spojrzeć na ciała stałe, w bardzo dużym powiększeniu, powiększeniu, które pozwala zobaczyć pojedyncze atomy i ich ułożenie.

R1ejN3OoX85Iy

Rys. 1. Na górze rysunku znajduje się kafelek z napisem materia. Od niego poprowadzono w dół linię, która rozgałęzia się na 4 linie. Każda z linii wskazuje na kolejne 4 kafelki ułożone poziomo jeden obok drugiego. Na pierwszym kafelku z lewej strony jest napis ciała stałe, na drugim ciecze, na trzecim gazy, a na czwartym plazma. Od pierwszego kafelka z napisem ciała stałe poprowadzono w dół linię, która rozgałęzia się na 2 linie, które wskazują na kolejne 2 kafelki. Na pierwszym kafelku z lewej strony jest napis: krystaliczne, a na drugim: niekrystaliczne, w nawiasie amorficzne.

Cała materia zbudowana jest z atomów. Ciała krystaliczne i niekrystaliczne różnią się od siebie strukturą atomową, czyli sposobem, w jaki położone względem siebie atomy i sposobem w jaki są połączone wiązaniami chemicznymi. Przykłady struktury atomowej dla obu typów ciał przedstawiliśmy na rysunku 2. W ciałach krystalicznych (lewa część) atomy ułożone są regularnie. Obserwujemy powtarzalność i symetrię: każdy „czarny” atom otoczony jest przez trzy białe, znajdujące się w wierzchołkach trójkąta równobocznego. Każdy „biały” atom – otoczony jest przez dwa czarne, znajdujące się w linii. Te dwa ułożenia powtarzają się na dużym obszarze. Struktura atomowa kryształu jest więc uporządkowana w dużej skali – nazywamy to dalekim porządkiem. To oznacza, że długości wiązań chemicznych i kąty między nimi są takie same dla wszystkich atomów w krysztale. Taką strukturę ma m.in. lód, sól kuchenna, cukier, czyste pierwiastki i większość związków chemicznych przez nie tworzonych.

R7L1MIvSvxceP

Rys. 2. Rysunek składa się z dwóch części, lewej i prawej. W obu częściach struktura atomowa składa się z jednakowych cząsteczek przedstawionych symbolicznie jako czarna kropka otoczona przez 3 białe kółeczka znajdujące się w wierzchołkach trójkąta równobocznego. Czarne kropki i białe kółeczka połączone są odcinkami symbolizującymi wiązania chemiczne. Po jednej takiej cząsteczce w obu częściach rysunku zostało otoczone pętlą z podpisem bliski porządek. W lewej części rysunku atomy połączone są w regularną strukturę, składającą się z jednakowych sześciokątów foremnych, których boki przylegają do siebie. Cała lewa część otoczona jest pętlą z napisem daleki porządek. W prawej części rysunku atomy połączone są w nieregularną strukturę, składającą się z czworoboków, pięcioboków i siedmioboków.

W prawej części rysunku 2 widzimy z kolei strukturę ciała niekrystalicznego. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że jest ona całkowitym zaprzeczeniem kryształu! Widzimy duże nieuporządkowanie, różne kąty i długości wiązań i niepowtarzalną strukturę każdego fragmentu. Jeśli jednak przyjrzymy się bardziej, zauważymy, że ta „chaotyczna” struktura również zbudowana jest z podstawowej „jednostki” – „czarnego” atomu, leżącego w trójkątnym otoczeniu atomów „białych”. Najbliższe otoczenie danego atomu jest więc zawsze takie samo – nazywamy to bliskim porządkiem – mimo, że w dużej skali ta powtarzalność zanika (brak dalekiego porządku). Przykłady ciał niekrystalicznych to guma do żucia i tworzywa sztuczne. Zaliczają się do nich również szkła. Jak zatem widzisz, nazywając szklany wazon „kryształem” popełniamy duży błąd…

Jak można otrzymać szkło? W teorii bardzo prosto – wystarczy schłodzić stopiony materiał z odpowiednio dużą szybkością. Co to znaczy odpowiednio dużą? To zależy już od składu chemicznego stopionej masy. Szybkości chłodzenia mogą wynosić od kilku °C/min – to bardzo niska szybkość. Oznacza to, że niektóre stopione materiały tworzą szkła, samoistnie pozostawione na powietrzu. Przykładem takiego materiału jest dwutlenek krzemu. Z drugiej strony, dla innych składów chemicznych, szybkości te mogą sięgać milionów °C/min, co oznacza, że należy stosować metody szybkiego chłodzenia, takie jak wylanie stopionej cieczy na schłodzone, wirujące, metalowe walce, bardzo szybko odbierające ciepło (rysunek 3). W ten sposób otrzymuje się szkła metaliczne. Jeśli szybkość chłodzenia dla danego materiału jest za niska, by otrzymać szkło, powstaje wtedy materiał krystaliczny.

RJQtDsgt3XlOO

Rys. 3. Zdjęcie przedstawia górną część walca wirującego wokół poziomej osi. Nad walcem znajduje się cylindryczne duże naczynie z którego na powierzchnię walca wylewa się rozgrzana, świecąca ciecz.

Z chemicznego punktu widzenia, szkła są bardzo różnorodne. Możemy wyróżnić dwie podstawowe grupy (rysunek 4):

• tlenkowe – zawierające tlenki pierwiastków, tj. jak tlenek krzemu, tlenek boru, tlenek fosforu;

• metaliczne – będące stopami metali. Do stworzenia stopu wykorzystuje się pierwiastki takie jak pallad, ołów, antymon, żelazo, cyrkon, miedź, nikiel, beryl, kobalt czy tytan w różnych proporcjach.

R1WPaoKIF9IWU

Rys. 4. Na górze rysunku znajduje się kafelek z napisem szkła. Od niego poprowadzono w dół linię, która rozgałęzia się na 2 linie. Każda z linii wskazuje na kolejne 2 kafelki ułożone poziomo jeden obok drugiego. Na pierwszym kafelku z lewej strony jest napis tlenkowe, na drugim napis metaliczne.

Omówmy teraz kilka zastosowań szkieł. Na pewno potrafisz wskazać kilka – na co dzień wykorzystujemy szklanki i miski szklane, wyglądamy przez szklane okna i pijemy ze szklanych butelek. Takie szkła to szkła tlenkowe. W codziennych zastosowaniach (butelki, okna, drzwi, pojemniki szklane…) najczęściej wykorzystuje się szkło, w którym ok. 70–75% stanowi tlenek krzemu, ok. 15% – tlenek sodu, ok. 9% - tlenek wapnia. Inne domieszki to między innymi tlenek magnezu i tlenek glinu. Szkło takie określa się angielskim określeniem soda‑lime glass (rysunek 5).

Butelki szklane uzyskują swój kolor dzięki domieszkom – np. za barwę zieloną odpowiada domieszka tlenku żelaza i chromu; barwę niebieską uzyskamy, jeśli do stopionej masy dodamy tlenki kobaltu i miedzi. Możliwe jest także uzyskiwanie innych barw – m.in. różowej, brunatnej, fioletowej, żółtej, czerwonej, białej, a nawet czarnej! Tak różnorodne barwy szkła wykorzystuje się przy produkcji witraży okiennych (rysunek 6). Przy okazji – można spotkać się ze stwierdzeniem, że szkło okienne w starych katedrach jest grubsze na dole, z powodu „płynięcia” szkła w dół pod wpływem siły ciężkości. Czy takie wytłumaczenie ma sens fizyczny? Przeanalizuj zadania dołączone do e‑materiału i spróbuj samodzielnie odpowiedzieć na to pytanie!

R1drNeNthKVjR

Rys. 5. Zdjęcie przedstawia duże okno balkonowe, za którym widać ogród z bujną roślinnością.

R5IJTTM1mLbsj

Rys. 6. Zdjęcie przedstawia barwny witraż w kształcie koła składający się z wielu małych fragmentów szkła w różnych kolorach. Fragmenty układają się w skomplikowane wzory, ułożone promieniście. Można rozpoznać wzory kwiatowe i roślinne, a także geometryczne. Światło słoneczne prześwieca przez witraż, co sprawia, że wygląda, jakby świecił.

Szkłem do „zastosowań specjalnych” jest szkło borokrzemianowe. Zawiera ono ok. 70–85% tlenku krzemu i 7–13% tlenku boru. Pozostałe domieszki to tlenki sodu, glinu i potasu. Dzięki dodatkowi tlenku boru, szkło takie jest bardziej odporne na gwałtowne zmiany temperatury niż szkło soda‑lime. Z tego powodu wykonuje się z niego m.in. szkło laboratoryjne oraz kuchenne (znane jako szkło typu pyrex – rysunek 7).

R1ARqe1OLpNeh

Rys. 7. Zdjęcie przedstawia 2 szklane, przezroczyste kubki z uszkiem i napisem PYREX. Na bocznej ściance zaznaczona jest podziałka do odmierzania objętości zawartości kubka.

Innym typem „specjalnego szkła” jest szkło zawierające bardzo dużą ilość tlenku krzemu (ilość innych tlenków jest znikoma). Szkło takie nazywamy szkłem krzemionkowym lub kwarcowym. Jest ono odporne chemicznie oraz nie ulega pękaniu przy szybkich zmianach temperatury – z tego powodu wykorzystuje się je w laboratoriach chemicznych. Ze względu na brak domieszek, temperatura jego wytwarzania jest bardzo wysoka (aby stopić czysty dwutlenek krzemu niezbędna jest temperatura ok. 1700 °C), co jest istotnym problemem przy jego produkcji. Szkło kwarcowe (w przeciwieństwie do wyżej wymienionych) dobrze przepuszcza promieniowanie ultrafioletowepromieniowanie ultrafioletowe (promieniowanie UV)promieniowanie ultrafioletowe, więc wykorzystuje się je między innymi do produkcji lamp UV. Ze względu na wysoką przepuszczalność także dla promieniowania podczerwonegopromieniowanie podczerwone (IR)promieniowania podczerwonego, szkło krzemionkowe jest używane do wyrobu światłowodów. Szkło kwarcowe… wyruszyło także w kosmos! Wykonane z niego kule wykorzystane były w misji kosmicznej Gravity Probe B, której celem było sprawdzenie przewidywań wynikających z ogólnej teorii względnościogólna teoria względności (OTW)ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Kule miały ok. 3.8 cm średnicy, a „odstępstwo” od idealnej kulistości nie przekraczało grubości 40 warstw atomowych, czyli ok. 15 nm (nanometrów!). Kula taka widoczna jest na Rys. 8.

R58dURkRqsBQB

Rys. 8. Zdjęcie przedstawia brodatego mężczyznę w okularach, który dłonią w białej rękawiczce trzyma błyszczącą kulę ustawioną na płaskiej podstawce. W powierzchni kuli odbija się obraz otoczenia.

Jeśli chodzi o szkła tlenkowe, wspomnijmy jeszcze o szkłach ołowiowych. Ich podstawowym składnikiem jest oczywiście krzemionka (tlenek krzemu, ok. 62%), ale dodatkowo zawierają domieszki tlenków ołowiu (ok. 24%), potasu (ok. 8%), sodu (ok. 6%), cynku i glinu. Szkła takie posiadają wysoki współczynnik załamaniawspółczynnik załamaniawspółczynnik załamania światła – n rzędu 1.55–2 – dzięki temu są wykorzystywane do produkcji elementów optycznych: soczewek do mikroskopów, teleskopów i obiektywów fotograficznych, ale również pryzmatów. Szkła ołowiowe nazywa się również szkłami typu flint. Wysoki współczynnik załamaniawspółczynnik załamaniawspółczynnik załamania światła sprawia ponadto, że szkła takie są bardzo błyszczące i mienią się różnymi kolorami, przez co bywają one wykorzystywane w celach artystycznych lub do produkcji szklanej zastawy stołowej i wazonów. Innym szkłem wykorzystywanym w optyce (do produkcji soczewek okularowych) jest szkło typu crown, zawierające krzemionkę (ok. 73%) oraz dużą zawartość tlenku potasu (ok. 17%). Ponadto w składzie znajdziemy tlenek sodu (ok. 5%), tlenek wapnia (ok. 3%) i tlenek glinu (ok. 2%). W przeciwieństwie do szkła flint, szkło crown charakteryzuje się współczynnikiem załamania niższym (n = 1.45) od czystego szkła krzemionkowego (n = 1.50–1.54).

R17Tp1xyrsAer

Rys. 9. Zdjęcie przedstawia stół nakryty białym obrusem, na którym stoją szklane, przezroczyste kieliszki, których powierzchnia mieni się różnymi barwami.

Układy soczewek ze szkła flint i crown pozwalają na korekcję wady optycznej zwanej aberracją chromatyczną. Wynika ona ze zjawiska dyspersji – współczynnik załamaniawspółczynnik załamaniawspółczynnik załamania szkła nieco zmienia się dla różnych długości fali, dlatego też po przejściu światła białego przez pojedynczą soczewkę w powstałym obrazie mogą być widoczne kolorowe obwódki na granicy białego obszaru (rysunek 10). Układy korygujące aberrację chromatyczną nazywamy achromatami lub apochromatami (rysunek 11).

R3E7Uma31EQpr

Rys. 10. Na górnym zdjęciu widać fragment szarego budynku z kolumnami na pierwszym planie. Dolne zdjęcie przedstawia ten sam fragment budynku, ale obraz kolumn jest rozmyty i mieniący się barwami tęczy.

R13kSs7SKZ0KI

Rys. 11. Na rysunku znajduje się soczewka płasko‑wypukła o poziomej osi symetrii. Oś symetrii zaznaczono przerywaną linią. Soczewka podpisana jest jako szkło crown. Prawa, płaska strona soczewki styka się ze szklaną płytką równoległościenną podpisaną jako szkło flint. Z lewej strony soczewki narysowano po obu stronach osi symetrii poziome wiązki światła padające na soczewkę. Każda z wiązek składa się z trzech promieni świetlnych leżących blisko siebie. W wiązce świetlnej leżącej nad osią symetrii dolny promień ma barwę niebieską, środkowy barwę zieloną, a górny barwę czerwoną. Wiązka promieni pod osią symetrii leży w tej samej odległości od osi, co wiązka górna. Barwy promieni w dolnej wiązce są odwrotne niż w górnej. Najniższy promień jest czerwony, środkowy zielony, a górny niebieski. Na wypukłej powierzchni soczewki promienie załamują się w kierunku do osi symetrii. Kąty załamania promieni czerwonych są nieco większe niż promieni niebieskich. Wszystkie promienie po przejściu przez soczewkę i płytkę przechodzą przez jeden punkt leżący na osi symetrii na prawo od układu optycznego. Pod rysunkiem znajduje się angielski napis „achromatic doublet”.

Gdzie jeszcze spotkamy szkło tlenkowe? Oczywiście w sztuce, tak użytkowej jak i artystycznej! Wytwarzanie eleganckich, ekstrawaganckich, kunsztownych lub po prostu pięknych obiektów szklanych to działalność, która zajmowała ludzi od wieków. Przykładem może być szkło produkowane na włoskich wyspach Murano (rysunek 12). Tamtejsi szklarze mają już ponad 1500 lat doświadczenia! To stamtąd pochodzi szkło zwane cristallo (rysunek 13), będące najczystszym i najbardziej przezroczystym (bez zabarwienia) szkłem. Sekretem jego powstawania jest niewielka domieszka tlenku manganu, która usuwa lekkie zabarwienie wynikające z obecności innych tlenków. Mistrzowie z Murano stworzyli także tzw. szkło mleczne, które wygląda jak porcelana (rysunek 14). Aby je otrzymać, do masy szklanej dodaje się związki powodujące zmętnienie szkła, takie jak popiół uzyskany ze spalania kości albo tlenek cyny.

R7D0LJiiHtTMT

Rys. 12a. Zdjęcie przedstawia niewielką, wzorzystą miseczkę. Na wzór składają się stylizowane kwiaty w kolorach żółtym, brązowym i niebieskim.

RrXfCHpHgMrUA

Rys. 12b. Zdjęcie przedstawia niebiesko‑fioletowy, wysmukły wazon o nowoczesnym kształcie.

R1E4NslT9UtO8

Rys. 13a. Zdjęcie przedstawia przezroczysty kieliszek na długiej nóżce.

RV7tHSJrYntXW

Rys. 13b. Zdjęcie przedstawia duży, bogato zdobiony wazon.

RxiHqaICSM63T

Rys. 14a. Zdjęcie przedstawia biały, nieprzezroczysty kieliszek na krótkiej nóżce. Brzeg kieliszka jest fantazyjnie pofalowany.

RpNYDeFHyULtj

Rys. 14b. Zdjęcie przedstawia dwa duże zegary umieszczone na sąsiadujących ściankach wysokiego słupa. Tarcze zegarów są białe.

Osobną kategorią szkieł tlenkowych są tak zwane szkła inteligentne (ang. smart glasses). W takich szkłach, oprócz typowych tlenków wykorzystywanych do produkcji, znajdują się dodatkowe materiały aktywne, które powodują zmianę cech szkła, np. pod wpływem napięcia elektrycznego, światła i ciepła. Przykładem może być szkło wykorzystywane do produkcji okien w samolotach typu Boeing 787 Dreamliner – samoloty te znajdują się m.in. we flocie Polskich Linii Lotniczych LOT. W samolotach tych nie ma klasycznych przesłon, które po zaciągnięciu odcinałyby dostęp światła słonecznego. Zamiast tego, pomiędzy szybami okiennymi umieszczono warstwę żelu. Wciśnięcie przycisku ściemniania powoduje przyłożenie napięcia elektrycznego do żelu, który z przezroczystego zmienia barwę na granatowy. Im więcej razy przyciśniemy przycisk – tym mocniej ściemnieje żel. Efekt zmiany koloru pod wpływem napięcia nazywamy efektem elektrochromowym.

R1WVk8zcN8qJ2

Rys. 15. Zdjęcie przedstawia owalne okienko w samolocie. Za okienkiem widać panoramę gór i pól. Okienko jest przyciemnione i widok powierzchni ziemi jest niebieskawy, a niebo granatowe.

W powyższym przykładzie żel między szybami pozostaje transparentny, zmienia się jedynie poziom tej transparentności i barwa żelu. Istnieją jednak szkła, które mogą stać się zupełnie nieprzepuszczalne – stają się mleczne, a możliwość obserwacji znika. W takich szkłach, między szybami umieszcza się warstwę materiału ciekłokrystalicznego (tak jak w monitorach komputerowych typu LCD). Ciekły kryształ jest stanem pośrednim między ciałem krystalicznym a cieczą – w jego strukturze występują elementy uporządkowane (jak w krysztale), mają one jednak pewną swobodę obrotu i ruchu (jak w cieczy). W momencie, w którym do ciekłego kryształu przyłożone jest napięcie elektryczne, elementy porządkują się i ustawiają zgodnie, a kryształ jest przepuszczalny dla światła widzialnego. Jeśli wyłączymy napięcie – uporządkowanie zniknie, a kryształ przestanie przepuszczać światło. Takie zjawiska również nazywamy efektem elektrochromowym.

Omówmy teraz drugą rodzinę szkieł, tzn. szkła metaliczne. Są to tak naprawdę stopy metali. Typowy stop metaliczny (jak np. mosiądz, stop miedzi i cynku) jest jednak ciałem krystalicznym, w którym atomy wykazują uporządkowanie dalekozasięgowe. W szkle metalicznym takiego uporządkowania nie ma, istnieje jedynie porządek bliski (rysunek 16). Szkła metaliczne nazywa się czasem amorficznymi metalami, jednak nazwa ta nie jest do końca poprawna. Sugeruje ona, że udało otrzymać się czysty metal w stanie amorficznym (niekrystalicznym). Tymczasem, jak do tej pory, sztuka taka nie udała się dla metali czystych, jedynie dla ich stopów. Dostępne obecnie szybkości chłodzenia nie pozwalają na zeszklenie czystego metalu. Kto jednak wie – może w przyszłości opracujemy technologię chłodzenia, która to umożliwi? Elementy wykonane ze szkła metalicznego przedstawiamy na rysunku 17.

R10ULtpOdinhn

Rys. 16. Rysunek składa się z dwóch części, lewej i prawej. W obu częściach struktura atomowa przedstawiona jest symbolicznie jako stykające się niebieskie kulki, między którymi tkwi mniejsza, biała kulka. W lewej części rysunku atomy tworzą regularną strukturę, w której niebieskie i białe kulki powtarzają się regularnie w każdym z trzech wymiarów. W prawej części rysunku atomy połączone są w nieregularną strukturę.

R8jxcqtp9WhPg

Rys. 17. Na rysunku widać krążki podobne do monet, walec oraz stożek z wygiętym wierzchołkiem, podobny do szpiczastej czapeczki.

Dlaczego jednak zależy nam na otrzymywaniu szkieł metalicznych? Jakie ich cechy są dla nas interesujące? Są to między innymi ciekawe właściwości mechaniczne i chemiczne. Szkła metaliczne:

• cechują się mniejszymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej (mniej kurczą się lub rozszerzają pod wpływem zmian temperatury) niż ich krystaliczne odpowiedniki;

• są bardziej odporne na zużycie i korozję niż czyste metale;

• są twardsze od czystych metali;

• wykazują większą wytrzymałość na rozciąganie;

• posiadają większą plastyczność i sprężystość niż krystaliczne metale.

Ze względu na dobre właściwości mechaniczne, szkła metaliczne służą m.in. do produkcji przeciwczołgowych głowic bojowych, a w zastosowaniach cywilnych – kół zębatych i łożysk. Dzięki wysokiej sprężystości warstwą szkła metalicznego pokrywa się m.in. kije golfowe (rysunek 19), kije do baseballu i rakiety tenisowe. Umożliwiają one bardziej sprężyste uderzenie piłki, co przekłada się na jej większą prędkość. W poniższym filmie przedstawiono metalowe kulki odbijające się od podłoża wykonanego z metalu (tytanu) lub szkła metalicznego. Zwróć uwagę, że kulka odbijająca się od szkła metalicznego dłużej pozostaje w ruchu. Oznacza to, że przy każdym odbiciu traci mniej energii – podłoże jest zatem bardziej sprężyste.

R1Dj8M5bYTsix

Rys. 19. Na rysunku widać końcówki kijów do golfa, ustawionych pionowo. Końcówki są błyszczące i mają kształt zbliżony do owalnego, zwężony w jednym końcu.

Dzięki wyższej odporności na korozję, szkła metaliczne zawierające żelazo mogą zastępować stal (krystaliczny stop żelaza z węglem) i być wykorzystywane np. do budowy statków.

Szkła metaliczne zawierające metale magnetyczne, takie jak żelazo, kobalt czy nikiel mogą być wykorzystywane do budowy rdzeni ferromagnetycznych (np. w transformatorach napięcia). Szkła metaliczne wykazują większą oporność elektryczną niż czyste metale, co w przypadku tego zastosowania jest zaletą. Podczas pracy transformatora zawsze obecne są tzw. prądy wirowe, które powodują rozproszenie części energii w transformatorze. Przy wyższym oporze elektrycznym materiału prądy te są mniejsze.

Szkła metaliczne wytwarza się z metali takich jak nikiel, niob, magnez, cynk, miedź, cyrkon czy pallad, w zależności od pożądanych zastosowań. Czasem dodaje się również pierwiastki niemetaliczne, takie jak bor, krzem czy fosfor.

Słowniczek