Przeczytaj

bg‑pink

Kwarc krystaliczny

Jeden z najbardziej rozpowszechnionych minerałów na Ziemi. Zbudowany jest głównie ze związku o nazwie tlenek krzemu( $IV$ ), a jego wzór sumaryczny to ${SiO}_{2}$ .

RILIVfFmGKhYG

Zdjęcie przedstawia podłużne, bezbarwne kryształy kwarcu, które tworzą skupisko. — Krystaliczna krzemionka jest nazwą grupy minerałów zbudowanych z tlenku krzemu( $IV$ ), z których najbardziej rozpowszechniony jest kwarc.
Źródło: Didier Descouens, dostępny w internecie: wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 4.0.

Atom krzemu względem atomu tlenu posiada liczbę koordynacyjnąliczbę koordynacyjną równą cztery i zajmuje pozycję centralną. Atomy tlenu znajdują się w narożach. Jednostka elementarna krzemianów występuje w postaci anionu krzemotlenowego ${[{SiO}_{4}]}^{4 -}$ , który może utworzyć jeszcze cztery dodatkowe wiązania. To pomiędzy tlenem i krzemem jest najsilniejsze z wiązań tworzonych przez atom krzemu. Odpowiada ono za jego częściowy i jonowy charakter oraz sprawia, że struktura jest bardziej stabilna. Tetraedry łączą się ze sobą za pomocą atomów tlenu w taki sposób, że dwie sąsiednie struktury wiąże jeden atom.

RGuneHI0HAZL3

Ilustracja przedstawia jednostkę elementarną SiO44-. Atomy są rozmieszczone w czworościanie foremnym w następujący sposób. Atom krzemu S i, reprezentowany przez czarną kulkę, znajduje się w środku tetraedru i łączy się za pomocą wiązań pojedynczych z czterema atomami tlenu symbolizowanymi przez niebieskie kulki, które są rozmieszczone w czterech narożach czworościanu. Krawędzie w czworościanie zaznaczono przerywanymi liniami. — Jednostka elementarna, stanowiąca grupę krzemotlenową
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑pink

Szkło kwarcowe

Szkło kwarcowe jest rodzajem o najwyższej zawartości czystego ${SiO}_{2}$ (tlenku krzemu( $IV$ )), wynoszącej ponad $98 %$ masowych. Szkło kwarcowe otrzymuje się poprzez topienie kryształów kwarcu o wysokiej czystości lub poprzez topienie piasku kwarcowego o wysokiej czystości. Szkło kwarcowe o najwyższej jakości otrzymuje się na drodze reakcji chemicznej.

Dla porównania, szkło ołowiowe (kryształowe) zawiera od $18$ do $80 %$ tlenku ołowiu, co oznacza, że czystego tlenku krzemu( $IV$ ) jest w nim znacznie mniej niż w szkle kwarcowym.

W zależności od metod obróbki termicznej, powstaje wiele odmian szkła kwarcowego, które różnią się składem, ale także właściwościami fizycznymi. Szkło kwarcowe chętnie wykorzystywane jest w przemyśle i nauce.

bg‑gray2

Budowa szkła kwarcowego

Szkło kwarcowe zbudowane jest z połączonych ze sobą czworościanów ${[{SiO}_{4}]}^{4 -}$ . Istnieją dwie koncepcje połączenia tych podstawowych jednostek:

teoria krystalitowa (Lebiediewa): szkło składa się z bardzo drobnych krystalitów (wielkość $1,5$ - $2 nm$ ), połączonych przypadkowo przez „pustki” – obszary o luźniejszym upakowaniu;
strukturalna teoria Zachariasena: szkło krzemionkowe ma taką strukturę, która stanowi ciągły szkielet zwany więźbą. Tworzą go powiązane ze sobą przypadkowo czworościany ${[{SiO}_{4}]}^{4 -}$ .

RsCQKC6hug663

Ilustracja przedstawia schemat budowy szkła według Lebiediewa i Randalla. Tetraedryczne komórki elementarne skierowane jednym z wierzchołków przed monitor, zaś ich podstawy w kształcie trójkątów znajdują się w płaszczyźnie monitora. Kąty trójkątów stykają się ze sobą, tworząc sześciokątne otwory lub struktury przypominające miejscami Gwiazdy Dawida. — Schemat budowy szkła według Lebiediewa i Randalla
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RjYNzEDLVi0xO

Ilustracja przedstawia schemat budowy szkła według Zachariasen, Warren i Biscoe. Tworzą je ponownie tetraedryczne komórki elementarne łączące się w większe struktury. Tetraedryczne, czy też czworościenne podstawowe elementy zbudowane są z atomu krzemu połączonego z czterema atomami tlenu. Łączą się one za pośrednictwem atomów tlenu symbolizowanych przez niebieskie kulki, dzięki czemu struktura posiada pory o różnej geometrii sześciokątnej, czworokątnej, pięciokątnej, ośmiokątnej. — Schemat budowy szkła według Zachariasen, Warren i Biscoe
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑gray2

Wybrane metody produkcji szkła kwarcowego

Pierwsza metoda polega na produkcji szkła poprzez stopienie kryształów kwarcu o wysokiej czystości w temperaturze około $2000 ° C$ . Proces jest prowadzony w piecu elektrycznym lub płomieniowym. Powstaje w wyniku powolnego chłodzenia stopionego materiału.

R1DGnFfLu0pgC

Ilustracja przedstawiająca schematycznie jedną z pierwszych metod wytwarzania topionego kwarcu z wykorzystaniem palnika wodorowego. Palnik skierowany jest poziomo u góry przed wydobywającym się płomieniem znajduje się lejek, przez który do płomienia wprowadzane jest ziarno krystaliczne symbolizowane przez brązowe kulki. Obok, po lewej stronie od płomienia przedstawiono topiony kwarc. — W jednej z pierwszych metod wytwarzania topionego kwarcu, wykorzystywano płomień palnika. $H_{2}$ oraz $O_{2}$ na rysunku oznaczają paliwo, dzięki czemu palnik działa.
Źródło: GroMar Sp. z o.o. opracowano na podstawie: https://www.heraeus.com/media/media/hca/media_hca/knowledge_base/Flame_Fusion_image_w700.png, licencja: CC BY-SA 3.0.

Inna metoda polega na stopieniu w piecu drobnoziarnistego piasku kwarcowego o wysokiej czystości – pozostające w szkle mikroskopijne bąbelki powietrza wpływają na jego zabarwienie.

Szkło kwarcowe, nazywane syntetycznym, otrzymywane jest w drodze reakcji chemicznych, np. w wyniku hydrolizyhydrolizahydrolizy lub termolizytermolizatermolizy związków, które zawierają krzem, oraz utleniania krzemu do postaci gazowego tlenku krzemu( $IV$ ). Potem dochodzi do stopienia jego osadu w próżniowym piecu elektrycznym, w celu wytworzenia szkła niezawierającego pęcherzyków gazu.

bg‑gray2

Rodzaje szkła kwarcowego

Terminem opisującym wszystkie rodzaje szkła kwarcowego jest szklista krzemionka (ang. vitreous silica). Dotyczy takich materiałów, jak:

topiony kwarc (ang. fused quartz) to szkło krystaliczne, wytwarzane z naturalnie występujących kryształów kwarcu, piasku lub skały. Przepuszcza promienie UV do $250 nm$ . Wykorzystywane jest w zakresie promieniowania widzialnego;

topiona krzemionkatopiona krzemionkatopiona krzemionka (ang. fused silica) to szkło niekrystaliczne, produkowane syntetycznie przez hydrolizę halogenku krzemu w fazie gazowej. Przepuszcza promienie UV do $160 nm$ .

RFlKES6hFb3ni1

Ilustracja przedstawia widmo promieniowania elektromagnetycznego. Na obrazku podane są zakresy odpowiadające danemu promieniowaniu. Promieniowanie rentgenowskie 5 pikometrów do 10 nanometrów. Promieniowanie ultrafioletowe 10 nanometrów do 380 nanometrów. Promieniowanie widzialne 380 nanometrów do 780 nanometrów. Promieniowanie podczerwone 780 nanometrów do 1 milimetra. Promieniowanie mikrofalowe 1 milimetra do 1 metra. Promieniowanie radiowe od 1 metra. — Spektrum promieniowania elektromagnetycznego
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zarówno topiona krzemionka, jak i topiony kwarc to niezwykle czyste materiały, charakteryzujące się bardzo niską rozszerzalnością cieplną i doskonałymi właściwościami optycznymi.

Ciekawostka

Kiedyś terminu „topiona krzemionka” używano do odróżnienia przezroczystej formy tego szkła od matowej. Dziś, dzięki udoskonaleniu procesu produkcji, uzyskuje się przezroczysty produkt z obydwu substratów.

bg‑gray2

Topiona krzemionka

Wyróżnia się trzy klasy topionej krzemionki:

topiona krzemionka klasy UV, czyli np. szkło $JGS$ – $1$ ;
topiona krzemionka klasy optycznej, czyli. np. szkło $JGS$ – $2$ ;
topiona krzemionka klasy IR, czyli np. szkło $JGS$ – $3$ .

Ciekawostka

Podane oznaczenia odnoszą się do chińskiego producenta szkieł. U innych spotkamy się z następującymi nazwami – np. według firmy Haraeus, szkło $JGS$ – $1$ to Suprasil $1$ lub Suprasil $2$ , $JGS$ – $2$ to Homosil $1$ , $2$ lub $3$ , a $JGS$ – $3$ to Suprasil $300$ .

JGS

–

1

JGS

–

1

$JGS$ – $1$ jest przezroczysty dla zakresu długości fal ultrafioletu i pasma widzialnego. Nie pochłania promieniowania z zakresu od $170$ do $250 nm$ . Dzięki tym właściwościom używane jest dla światła od dalekiego ultrafioletu do światła widzialnego, np. w soczewkach laserowych, pryzmatach, lustrach itd. Ten typ szkła pozbawiony jest pęcherzyków powietrza i zanieczyszczeń.

JGS

–

2

JGS

–

2

$JGS$ – $2$ dobrze przepuszcza promieniowanie UV oraz widzialne. Pod względem właściwości fizycznych i chemicznych jest praktycznie takie same, jak szkło $JGS$ – $1$ . Tylko cienkie i małe płytki wykonane z tego szkła są pozbawione pęcherzyków powietrza. Ze względu na swoje właściwości, szkło $JGS$ – $2$ może być stosowane do wykonywania soczewek optycznych, ale tylko tych, które mogą wykazywać niewielkie zniekształcenia czy rozproszenie światła. Wykorzystywane jest również w elementach pracujących w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem. Z tego typu szkła wykonuje się również płytki optyczne, szkiełka mikroskopowe czy szkła wzierne.

JGS

–

3

JGS

–

3

$JGS$ – $3$ to szkło przezroczyste w szerokim zakresie pasma (od głębokiego ultrafioletu do pełnej podczerwieni). Podobnie jak $JGS$ – $2$ , może zawierać niewielkie pęcherzyki, przez co nie powinno być stosowane w przetwarzaniu obrazów. Szkło to zwykle stosowane jest w aplikacjach IR.

R1cnpjkZIT6Fv1

Na ilustracji przedstawiony jest wykres z trzema krzywymi: oznaczają one przepuszczalność szkieł JGS‑1, JGS‑2 i JGS‑3. Na osi x zaznaczono wartości długości fali w mikrometrach od 0,15 do 5. Na osi y zaznaczono wartości przepuszczalności w procentach od 0 do 100. Dla szkła JSG‑1 wzrasta od 10 procent dla wartości 0 przecinek 15 mikrometra i osiąga przepuszczalność 90 procent dla wartości 0 przecinek 18 mikrometrów. Utrzymuje się na tym poziomie do wartości 1 przecinek 1 mikrometra. Przepuszczalność spada gwałtownie do zera dla 2 przecinek 8, po czym rośnie do 80 procent dla wartości 3 przecinek 2 i ponownie spada do zera dla długości fali większej niż 4 mikrometry. JGS‑2 - charakterystyka przepuszczalności rozpoczyna się od wartości długości fali 0 przecinek 23, dla której przyjmuje wartość około 30 procent, po czym rośnie do wartości 80 procent dla 0 przecinek 27 mikrometra i podobnie jak dla JSG‑1 spada gwałtownie do zera dla wartości długości fali 2 przecinek 8, po czym wzrasta do 80 procent i maleje do zera dla długości fali około 4 mikrometrów. JGS‑3 - przepuszczalność zaczyna się dla wartości długości fali zero przecinek 16 i rośnie do 80 procent dla wartości około 0 przecinek 2 mikrometra i utrzymuje tę wartość do długości fali około 3 mikrometrów, po czym spada do zera dla czterech mikrometrów. — Producenci proponują szkła kwarcowego różnego typu, np. $JGS$ - $1$ , $JGS$ - $2$ i $JGS$ - $3$ , różnią się zakresem przepuszczanego promieniowania elektromagnetycznego.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 1

W jakim zakresie wszystkie omawiane typy szkła mają przepuszczalność o wartości około $90 %$ ?

ReyDrx8RntIYq

Od $0,30$ do $1 μm$ .

bg‑gray2

Właściwości szkła kwarcowego

Odporność chemiczna zależy od temperatury i substancji działającej na szkło.

R1bV4pUIaPgWu1

Tabela przedstawia, jak temperatura i substancje działają na szkło. Najbardziej niekorzystnie na szkło kwarcowe działają wodorotlenki - W tabeli to wodorotlenek cyny i wodorotlenek baru, który niekorzystnie działa na szkło już w temperaturze 500 stopni Celsjusza oraz węglany - w tabeli wyszczególniono węglan wapnia i baru, które działają niekorzystnie na szkło w temperaturze 1000 stopni i powyżej. Do uszkodzeń spowodowanych rekrystalizacją dochodzi w temperaturze 1100 stopni na skutek działania chlorku litu i chlorku cyny, w temp. 1200 stopni przez działanie chlorku sodu, chlorku potasu, bromku sodu, bromku potasu, w temperaturze 1250 stopni na skutek działania manganu. Na szkło kwarcowe niekorzystnie działa także magnez, już przy 800 stopniach, mangan, żelazo, kobalt i cyna, która powoduje głęboką rekrystalizację w temp. 1000 stopni. — Tabela przedstawia, jak temperatura i substancje działają na szkło.
Źródło: GroMar Sp. z o.o. opracowano na podstawie: www.continentaltrade.com.pl/szklo-66, licencja: CC BY-SA 3.0.

**Wpływ temperatury i poszczególnych substancji na szkło**
Typ	Nazwa	Symbol	300 $° C$	500 $° C$	800 $° C$	1000 $° C$	1100 $° C$	1200 $° C$	1250 $° C$	1300 $° C$	1350 $° C$	1400 $° C$	1450 $° C$
pierwiastek	magnez	$Mg$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
pierwiastek	wapń	$Ca$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez krystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez krystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez krystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
pierwiastek	bar	$Ba$	Nie zmienia się.	Bez krystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez krystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez krystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Głęboka rekrystalizacja.	Rekrystalizacja powierzchni.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.
pierwiastek	bor	$B$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.
pierwiastek	glin	$Al$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
pierwiastek	tytan	$Ti$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
pierwiastek	cyrkon	$Zr$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
pierwiastek	wanad	$V$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.
pierwiastek	niob	$Nb$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.
pierwiastek	tantal	$Ta$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.
pierwiastek	chrom	$Cr$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
pierwiastek	molibden	$Mo$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.
pierwiastek	wolfram	$W$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nieliczne plamy rekrystalizcji.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
pierwiastek	mangan	$Mn$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Nieliczne plamy rekrystalizcji.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
pierwiastek	żelazo	$Fe$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Głęboka rekrystalizacja.	Głęboka rekrystalizacja.	Głęboka rekrystalizacja.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
pierwiastek	kobalt	$Co$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
pierwiastek	nikiel	$Ni$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
pierwiastek	miedź	$Cu$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Głęboka rekrystalizacja.	Głęboka rekrystalizacja.	Głęboka rekrystalizacja.	Głęboka rekrystalizacja.	Głęboka rekrystalizacja.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
pierwiastek	srebro	$Ag$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.
pierwiastek	cynk	$Zn$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Głęboka rekrystalizacja.	Głęboka rekrystalizacja.	Głęboka rekrystalizacja.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
pierwiastek	kadm	$Cd$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
pierwiastek	rtęć	$Hg$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
pierwiastek	węgiel	$C$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.
pierwiastek	krzem	$Si$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.
pierwiastek	cyna	$Sn$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Głęboka rekrystalizacja.	Głęboka rekrystalizacja.	Głęboka rekrystalizacja.	Głęboka rekrystalizacja.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
pierwiastek	ołów	$Pb$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.
tlenek	woda	$H_{2} O$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
tlenek	tlenek magnezu	$MgO$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
tlenek	tlenek wapnia	$CaO$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
tlenek	tlenek glinu	${Al}_{2} O_{3}$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
tlenek	tlenek krzemu( $IV$ )	${SiO}_{2}$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.
tlenek	tlenek fosforu( $V$ )	$P_{4} O_{10}$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Bez rekrystalizacji, ale powlekane lub barwione przez test.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.
tlenek	tlenek molibdenu( $VI$ )	${MoO}_{3}$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
wodorotlenek	wodorotlenek cyny	$Sn {(OH)}_{2}$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
wodorotlenek	wodorotlenek baru	$Ba {(OH)}_{2}$	Nie zmienia się.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
węglan	węglan wapnia	${CaCO}_{3}$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.
węglan	węglan baru	${BaCO}_{3}$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.
halogenek	chlorek litu	$LiCl$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	chlorek sodu	$NaCl$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	chlorek potasu	$KCl$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Głęboka rekrystalizacja.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	chlorek rubidu	$RbCl$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	chlorek cezu	$CsCl$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	bromek sodu	$NaBr$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	bromek potasu	$KBr$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	jodek sodu	$NaI$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	jodek potasu	$KI$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	chlorek magnezu	${MgCl}_{2}$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Rekrystalizacja powierzchni.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	chlorek wapnia	${CaCl}_{2}$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Nieliczne plamy rekrystalizacji.	Rekrystalizacja powierzchni.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	chlorek cyny	${SnCl}_{2}$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Rekrystalizacja powierzchni.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	chlorek baru	${BaCl}_{2}$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.
halogenek	chlorek glinu	${AlCl}_{3}$	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Nie zmienia się.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Rekrystalizacja powierzchni.	Uszkodzenie spowodowane rekrystalizacją.	Nie stosowano w tej temperaturze.

Polecenie 2

Na podstawie powyższej tabeli zaznacz, które z poniższych pierwiastków i związków nie powoduje uszkodzeń szkła w żadnej temperaturze.

RR9pwX1v9XCEy

Zawartość ponad $98 %$ masowych tlenku krzemu ${SiO}_{2}$ powoduje, że szkło kwarcowe posiada unikalne właściwości:

temperaturowe (mogą pracować w temperaturze powyżej $1250 ° C$ ), np. można je gwałtownie ogrzewać i schładzać bez ryzyka pęknięcia;
optyczne;
mechaniczne;
które można stosować w agresywnych środowiskach – są odporne na działanie prawie wszystkich kwasów;
które mogą być stosowane jako termiczny i elektryczny materiał izolacyjny w różnych środowiskach.

bg‑gray2

Zastosowanie szkła kwarcowego

Szkło kwarcowe znalazło szerokie zastosowanie ze względu na zakres przepuszczanych długości fal światła i swoją odporność na działanie związków chemicznych.

R158N1ibJ2APC

Topiona krzemionka znalazła zastosowanie m.in. w chemii. Wykorzystuje się ją do produkcji kolumn kapilarnych do chromatografii gazowej. Kolumny tego typu składają się z trzech elementów: powłoki (zewnętrzna warstwa), topionej krzemionki (środkowa warstwa) oraz fazy stacjonarnej (wewnętrzna warstwa).

Ważne!

W zależności od sposobu produkcji, na powierzchni topionej krzemionki mogą występować grupy silanolowegrupy silanolowegrupy silanolowe, dlatego wewnętrzna powierzchnia kolumny, wykonanej z topionej krzemionki, jest chemicznie dezaktywowana, aby zmniejszyć oddziaływania pomiędzy próbką a kolumną.

R177rbtwpeWT2

Ilustracja przedstawia cztery rodzaje grup silanolowych: swobodną, związaną, aktywną i bliźniaczą. Pierwszy rodzaj. Grupa swobodna: dwa atomy krzemu połączone są za pośrednictwem atomu tlenu. Dodatkowo każdy atom krzemu łączy się z dwoma wiązaniami pojedynczymi oraz za pomocą wiązania pojedynczego z atomem tlenu podstawionym atomem wodoru. Drugi rodzaj. Grupa związana: dwa atomy krzemu. Od każdego z nich odchodzą po trzy wiązania pojedyncze oraz po jednym wiązaniu pojedynczym łączącym atom krzemu z atomem tlenu podstawionym atomem wodoru. Obie grupy hydroksylowe O H tworzą czteroczłonowy pierścień, dzięki obecności wiązań wodorowych. Trzeci rodzaj. Grupa aktywna: dwa atomy krzemu. Od każdego z nich odchodzą po trzy wiązania pojedyncze oraz po jednym wiązaniu pojedynczym łączącym atom krzemu z atomem tlenu podstawionym atomem wodoru. Pomiędzy atomem tlenu pierwszej grupy hydroksylowej i atomem wodoru drugiej grupy hydroksylowej występuje wiązanie wodorowe symbolizowane przez przerywaną linię. Czwarty rodzaj. Grupa bliźniacza: atom krzemu łączy się z dwoma wiązaniami pojedynczymi oraz za pomocą wiązań pojedynczych z dwoma grupami hydroksylowymi OH. — Ilość grup silanolowych wpływa na łatwość sklejania topionej krzemionki z wieloma tworzywami sztucznymi.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R3u72je6vCsiw

Ilustracja przedstawia kolumnę kapilarną, składającą się z dwóch głównych elementów: topionej krzemionki w środku oraz powłoki zewnętrznej. Na rysunku zaznaczono średnicę zewnętrzną kapilary, oraz średnicę wewnętrzną, a także grubość powłoki zewnętrznej. — Kolumna kapilarna ze topionej krzemionki do chromatografii gazowej
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Szkło kwarcowe znalazło zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i przemysłu. Jakie może mieć bezpośrednie znaczenie dla zwykłego człowieka? W dobie Internetu dostęp do szybkiego łącza jest coraz częściej elementem warunkującym sukces edukacyjny lub zawodowy. Szkło kwarcowe służy do produkcji światłowodów. Jego właściwości realnie przyczyniają się do zapewnienia stabilności i wysokiej przepustowości domowego łącza. Ponadto zapewnia poufność danych oraz większe bezpieczeństwo. Jest również niewielkich rozmiarów, co wpływa lepiej na estetykę domu niż takie tradycyjne okablowanie.

Rp8RPPT47XWz9

Zdjęcie przedstawiające świecące na jasnozielono i jasnoniebiesko światłowody. — Światłowody zapewniają dużą przepustowość łącza i jego stabilność.
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Słownik

liczba koordynacyjna (liczba koordynacji)

liczba najbliższych atomów lub jonów otaczających dany atom lub jon w sieci przestrzennej kryształu albo liczba ligandów związana z atomem centralnym w związkach koordynacyjnych

grupy silanolowe

$Si — OH$ mogą mieć różne właściwości, zależnie od wzajemnej odległości i przestrzennego rozmieszczenia; mgrupy silanolowe, swobodne oraz aktywne, stanowią centra silnie protonodonorowe; grupy silanolowe bliźniacze są centrami o słabych właściwościach protonodonorowych; grupy związane, połączone ze sobą wiązaniem wodorowym, mają właściwości protonoakceptorowe

hydroliza

reakcja chemiczna, polegająca na rozpadzie cząsteczek związku chemicznego na dwa lub więcej mniejszych fragmentów w reakcji z wodą lub parą wodną

promieniowanie UV

promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od $10$ do $400 nm$ , niewidzialne dla człowieka

termoliza

rozpad cząsteczek związków chemicznych na mniejsze cząsteczki lub atomy pod wpływem temperatury

trynityt

szkliwo powstałe z ziaren piasku stopionych podczas wybuchu ładunku jądrowego; ma postać szklistych, kilkucentymetrowych, nieregularnych kamyków, które są radioaktywne

topiona krzemionka

szklana, izotopowa, twarda, o małym współczynniku rozszerzalności cieplnej forma kwarcu; otrzymuje się ją w wyniku ultraszybkiego schładzania idealnie czystej, pozyskiwanej sztucznie krzemionki

moduł Young'a

współczynnik sprężystości podłużnej, moduł sprężystości podłużnej, wielkość określająca własności sprężyste ciała stałego, oznaczana symbolem $E$ , charakteryzująca podatność materiału na odkształcenia podłużne przy rozciąganiu, ściskaniu, zginaniu

współczynnik Poisson'a

stosunek względnego odkształcenia prostopadłego do kierunku rozciągania (lub ściskania) do względnego odkształcenia w kierunku działania siły obciążającej, oznaczany symbolem $ν$

ciepło właściwe

iloraz pojemności cieplnej $C$ i masy całkowitej $m$ układu; $c = \frac{C}{m}$

stała dielektryczna

przenikalność elektryczna względna

wytrzymałość dielektryczna

właściwość dielektryka, określająca jego odporność na wystąpienie przebicia elektrycznego

Bibliografia

Filipecka K., Pawlik P., Wysłocki J. J., Gbara P., Nowoczesne metody wytwarzania materiałów amorficznych, Wydział Inżynierii Produkcji I Technologii Materiałów, Częstochowa.

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych. Ćwiczenie nr 4. Wyodrębnianie wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) z gleby, Pracownia studencka Katedry Analizy Środowiska, Gdańsk 2015.

Maciejewska A., Krzemionka krystaliczna: kwarc i krystobalit – frakcja respirabilna, „Podstawy i Metody Oceny Środowiska Pracy” 2014, t. 82, nr 4, s. 67‑128.

Szkło kwarcowe, online: https://www.continentaltrade.com.pl/szklo-kwarcowe-398, dostęp: 26.03.2021.

Woźniak W. A., Optyka Instrumentalna. Wykład 9: Szkło – definicja, bydowa, metody wytwarzania, własności fizyczne, parametry mechaniczne; parametry optyczne szkła: jednorodność, smużystość, pęcherzowatość, dwójłomność, , absorpcja, współczynnik odbicia (sposoby pomiaru, kategoryzacje), Wrocław, online: http://www.if.pwr.edu.pl/%7Ewozniak/optyka_instrumentalna_pliki/wyklad%20Optyka%20Instrumentalna%2009.pdf, dostęp: 26.03.2021.

Wprowadzenie

Gra edukacyjna

Kwarc krystaliczny

Szkło kwarcowe

Budowa szkła kwarcowego

Wybrane metody produkcji szkła kwarcowego

Rodzaje szkła kwarcowego

Topiona krzemionka

Właściwości szkła kwarcowego

Zastosowanie szkła kwarcowego

Słownik

Bibliografia