Szkło – tworzywo o długich tradycjach i jeszcze większej przyszłości
Codziennie, począwszy od spojrzenia przez okno, a skończywszy na przeglądaniu w lustrze podczas wieczornego mycia zębów, posługujesz się wyrobami ze szkła. Czy potrafisz określić, ile przedmiotów w twoim domu jest wykonanych z tego materiału? Dlaczego szkło, mimo upływu tylu lat, nadal nas fascynuje? Dlaczego wraca się do szklanych opakowań? Czy można sobie wyobrazić współczesną cywilizację bez tego materiału?
przebieg termicznego rozkładu węglanów;
przebieg reakcji chemicznej pomiędzy zasadowymi tlenkami metali i kwasami;
właściwości krzemionki – tlenku krzemu().
badać właściwości szkła;
wymieniać rodzaje szkła;
opisywać proces produkcji szkła;
uzasadniać zastosowanie różnych rodzajów szkła.
1. Czym jest szkło?
SzkłoSzkło jest materiałem o strukturze bezpostaciowejstrukturze bezpostaciowej, którego głównym składnikiem jest tlenek krzemu(). Najprostsze szkło otrzymuje się je w wyniku topienia piasku kwarcowego, węglanu wapnia i węglanu sodu, w temperaturze około . Szklistą masę ochładza się, ale proces krystalizacji nie zachodzi. Rozmieszczenie podstawowych elementów strukturalnych szkła różni się od struktury kwarcu i przypomina raczej rozmieszczenie drobin w cieczy. W odróżnieniu jednak od niej, drobiny te nie mają możliwości swobodnego przemieszczania się.
Obejrzyj poniższy film i wykonaj polecenie.
2. Proces produkcji szkła
Szkło jest historycznie pierwszym, ale nadal najpopularniejszym tworzywem, sztucznie wytworzonym przez człowieka. Odmiany krzemianowej używa się do wyrobu szyb, szklanych naczyń i urządzeń optycznych. Podstawowymi surowcami do jej produkcji są: piasek kwarcowy (tlenek krzemu() ), wapień (węglan wapnia ) i soda (węglan sodu ). Cennym dodatkiem jest również stłuczka szklana.
Do podstawowej masy szklanej dodaje się często takie tlenki, jak tlenek glinu (zwiększa wytrzymałość mechaniczną, odporność chemiczną i termiczną szkła), tlenek cynku (powoduje wzrost odporności szkła na nagłe zmiany temperatury przez obniżenie współczynnika rozszerzalności cieplnej), tlenek boru (zwiększa szybkość topienia, ułatwia klarowanieklarowanie oraz zmniejsza skłonność masy szklanej do krystalizacji).
Dokładnie odważone, zmielone i wymieszane surowce ogrzewa się w piecu szklarskim, wyłożonym ogniotrwałą gliną, do temperatury . W tak wysokiej temperaturze węglany ulegają rozkładowi:
Powstałe tlenki metali reagują z tlenkiem krzemu(), tworząc mieszaninę krzemianów:
Gorącą masę szklaną ochładza się do temperatury około – wówczas uzyskuje ona lepkość odpowiednią dla wybranej metody formowania.
Gotowe wyroby ogrzewa się do temperatury około i wolno ochładza. Etap ten, nazywany odprężaniem, ma na celu usunięcie – no właśnie – naprężeń wewnętrznych. Po tym zabiegu niektóre wyroby ze szkła są zdobione. Dotyczy to np. szkła kryształowego. Zdobnicy, za pomocą specjalnych urządzeń i tarczy diamentowych, wykonują oryginalne żłobienia (szlify), a grawerzy ręcznie tworzą niepowtarzalne obrazy (grawery). Wychłodzone wyroby szklane poddaje się procesowi uszlachetniania na zimno, dzięki któremu stają się jeszcze bardziej błyszczące. Zanim wyrób szklany trafi na sklepową półkę, jest poddawany kontroli jakości, pakowany, foliowany, magazynowany lub od razu wysyłany do odbiorcy.
3. Właściwości szkła
Szyby okienne, szklanki, talerzyki i inne naczynia, szyby samochodowe czy różne ozdoby – to zaledwie kilka przykładów szkła używanego na co dzień. Specjalnych odmian używa się do produkcji wielkich luster teleskopowych i mikroskopów lub np. kabin prysznicowych. W ścianach budynków montuje się szkło budowlane i szklane cegły, a w kominkach – szkło żaroodporne. Szkło kuloodporne jest wytrzymałe na uderzenia pocisków, np. z karabinów maszynowych. O właściwościach tego materiału decydują różne czynniki, które można zmieniać, tworząc nowe produkty. Do tych, od których zależą cechy nowych produktów, zaliczamy skład, struktura, powierzchnia oraz rodzaje cienkich warstw nanoszonych na tę powierzchnię. W życiu codziennym najczęściej korzystamy ze szkła bezbarwnego. Barwne można otrzymać przez dodanie do masy szklanej (w czasie jej topienia) związków metali ciężkich, tj. żelaza, chromu, manganu, niklu, miedzi i innych.
Poniżej przedstawiono różne rodzaje barwionego szkła. Jednak nie są to wszystkie możliwe kolory.
Zbadano jakie właściwości fizyczne wykazuje szkło. W tym celu wykonano doświadczenie.
Problem badawczy: Jakie właściwości fizyczne wykazuje szkło?
Hipoteza: Szkło charakteryzuje się małą odpornością na różne czynniki mechaniczne i zmiany temperatury. Nie przewodzi prądu elektrycznego i ciepła.
Co było potrzebne:
rurki szklane wykonane ze zwykłego szkła;
cegła;
kawałek grubej tkaniny;
młotek;
metalowe szczypce,
palnik;
zlewka z zimną wodą;
płaska bateria;
żarówka w oprawie;
przewody z zaciskami typu krokodylki.
Przebieg doświadczenia:
Rurkę szklaną owinięto szczelnie tkaniną, a następnie sprawdzono jej wytrzymałości na ściskanie, rozciąganie i zginanie. Położono ją na cegle i uderzono młotkiem. Przyjrzano się otrzymanym kawałkom szkła, porównano ich wielkość i zwrócono uwagę na krawędzie. Jeden z końców szklanej rurki ogrzano w płomieniu palnika, po czym zanurzono go w zlewce z zimną wodą. Szklaną rurkę umieszczono w płomieniu palnika i po chwili sprawdzono, czy da się ją zgiąć i rozciągnąć. Koniec rurki trzymano za pomocą szczypiec. Zwrócono uwagę na zmianę barwy płomienia podczas ogrzewania. Należało zachować ostrożność, ponieważ rurka mogła być gorąca. W takim przypadku należy pamiętać o rękawicach ochronnych odpornych na wysoką temperaturę. Zbudowano obwód elektryczny, składający się z płaskiej baterii, żarówki w oprawie oraz przewodów elektrycznych zakończonych krokodylkami. Umieszczono w nim szklaną rurkę. Obserwowano, czy po zamknięciu obwodu płynie prąd elektryczny – czy żarówka się zaświeciła, czy nie.
Obserwacje:
Szkło wykazuje dużą odporność na ściskanie, lecz niewielką wytrzymałość na rozciąganie, zginanie i uderzenie. Wskutek uderzenia, rozpada się na nieregularne kawałki o ostrych krawędziach. Szkło można stosunkowo łatwo zarysować. Podczas jego ogrzewania, płomień palnika barwi się na żółto. Rurka szklana nie przewodzi ciepła – nie nagrzewa się w całej objętości. Po zanurzeniu gorącej rurki w zimnej wodzie, szkło pęka na drobne kawałki. Żarówka nie świeci się po zamknięciu obwodu elektrycznego.
Wyniki:
Szkło nie wykazuje ściśle określonej temperatury topnienia, ale mięknie w pewnym przedziale temperatur i wówczas z łatwością może zmienić kształt. Barwa płomienia palnika zmienia się, gdy ogrzewamy rurkę szklaną. Dzięki temu można ją zgiąć i lekko rozciągnąć. Świadczy to o obecności atomów sodu w strukturze wewnętrznej szkła. Po zanurzeniu gorącej rurki w zimnej wodzie, szkło pęka na drobne kawałki, co oznacza, że w jego wewnętrznej strukturze powstały duże naprężenia. Zimne szkło jest izolatorem elektrycznym, rozgrzane może przewodzić prąd. Szkło jest stosunkowo złym przewodnikiem ciepła, jeśli jego warstwa jest gruba (rurka szklana nie przewodzi ciepła, ale cienka ścianka szklanki już tak).
Jakie warunki musi spełniać szkło użyte do budowy takiego obiektu, jaki powstał nad Kanionem Kolorado? Jest to szklana platforma w kształcie podkowy, wystająca poza krawędź urwiska. Dlaczego przed wejściem na tę platformę należy założyć specjalne ochraniacze na buty?
Jakie warunki musi spełniać szkło użyte do budowy takiego obiektu, jaki powstał nad Kanionem Kolorado? Jest to szklana platforma w kształcie podkowy, wystająca poza krawędź urwiska. Dlaczego przed wejściem na tę platformę należy założyć specjalne ochraniacze na buty?
Sprawdzono czy szkło jest odporne na działanie wody, kwasów i wodorotlenków. W tym celu wykonano doświadczenie.
Problem badawczy: Badanie odporności szkła na działanie wody, kwasów i wodorotlenków.
Hipoteza: Szkło nie reaguje z wody, kwasami i wodorotlenkami.
Co było potrzebne:
kawałki potłuczonego szkła (z poprzedniego doświadczenia);
pięć przezroczystych pojemników z polipropylenu;
stężony kwas chlorowodorowy (solny);
stężony roztwór wodorotlenku sodu;
stężony kwas azotowy();
stężony kwas fluorowodorowy;
woda.
Instrukcja:
Do każdego z pięciu pojemników dodano taką samą ilość kawałków potłuczonego szkła. Następnie, do pierwszego pojemnika dodano tę samą objętość wody, do drugiego stężony roztwór wodorotlenku sodu, do trzeciego stężony kwas chlorowodorowy, do czwartego stężony kwas fluorowodorowy, a do piątego stężony kwas azotowy(). Pojemniki zakręcono i pozostawiono badane próbki na kilka dni.
Obserwacje:
Szkło nie uległo żadnym przemianom w pojemnikach z wodą i kwasem solnym, natomiast w pojemnikach ze stężonym roztworem wodorotlenku sodu i kwasu fluorowodorowego uległo zmatowieniu.
Wyniki:
Ponadto jest odporne na działanie większości kwasów i wodorotlenków. Może reagować ze stężonymi wodorotlenkami, co powoduje zmatowienie jego powierzchni. Jedynym kwasem, z którym reaguje, jest kwas fluorowodorowy, dlatego ten kwas przechowuje się w plastikowych butelkach. szkło jest materiałem odpornym na działanie wody – może reagować ze stężonymi wodorotlenkami i kwasem fluorowodorowym. Nie reaguje z kwasem chlorowodorowym.
Napisz, dlaczego szklanego pojemnika, w którym przechowujemy wodorotlenek sodu, nie należy zamykać szklanym korkiem.
4. Rodzaje szkła i jego zastosowanie
Szkło jest materiałem znanym i stosowanym od dawna, a jednocześnie nowoczesnym – z coraz większą przyszłością. Ze względu na skład chemiczny, wyróżnia się szkło: sodowe, potasowe, borowo‑krzemowe, ołowiowe (kryształowe), kwarcowe. Każdy rodzaj ma określone właściwości i wynikające z tego zastosowanie.
Innym rodzajem szkła kryształowego jest tzw. czeski kryształ. Jest to szkło sodowo–potasowe z wyższą zawartością tlenku potasu niż sodu. Głównymi surowcami, stosowanymi przy produkcji takiego szkła, są: piasek szklarski (tlenek krzemu(), soda (wodorowęglan sodu), potaż (węglan potasu), wapień (węglan wapnia) i tlenek baru. Duży współczynnik załamania światła i wysoka jakość powodują, że jest ono używane do wytwarzania ozdobnych naczyń i eleganckiej biżuterii.
Wyjaśnij, dlaczego wyroby z czeskiego kryształu mają o wiele mniejszą masę niż wyroby wykonane ze szkła kryształowego?
Ze względu na przeznaczenie, wyróżnia się szkło budowlane (szkło płaskie – szyby, zbrojone, hartowane, watę szklaną, szkło wodne), techniczne (szkło optyczne, laboratoryjne, elektrotechniczne, sanitarne, oświetleniowe), gospodarcze (kryształowe, naczynia żaroodporne, szkło stołowe) i opakowania szklane.
Szkło określane jako bezpieczne to szkło hartowane, laminowane folią lub klejone, zbrojone i inne (wzmacniane chemicznie, foliowane, szyby ognioodporne).
Sodowe szkło wodne zostało wynalezione przed około lat przez mieszkańców Teb – starożytnego miasta w górnym Egipcie. To stężony wodny roztwór krzemianu sodu z dodatkiem wodorotlenku sodu, który zapobiega hydrolizie. Do połowy wieku nie znaleziono zastosowania dla tej substancji, więc popadła ona w zapomnienie. Dzisiaj szkło wodne pełni wiele funkcji – służy do wyrobu klejów i kitów kwasoodpornych oraz ognioodpornych, wykorzystywanych w budownictwie. Produkuje się z niego żywice silikonowe, używa się go do produkcji proszków do prania, farb, a nawet jako dodatku do żywności. Jest skutecznym środkiem do impregnacji drewna i tkanin.
Dynamiczny rozwój techniki w pierwszej połowie wywołał konieczność dostarczenia dla przemysłu szkieł charakteryzujących się wysoką wytrzymałością mechaniczną, odpornością chemiczną i odpornością na zmiany temperatury, odpowiednią twardością powierzchniową, współczynnikiem rozszerzalności cieplnej itp. Obecne wymagania stawiane wyrobom szklanym są znacznie większe. Produkuje się między innymi szkło refleksyjne, elektroprzewodzące, ceramiczne, nieprzezroczyste, samoczyszczące. Ze szkła produkowane są wyroby, takie jak np. pustaki szklane czy wełna szklanawełna szklana. Włóknami ze szkła wzmacnia się tworzywa sztuczne. Powstaje wówczas materiał zwany kompozytem, stosowany do budowy karoserii samochodowych.
Innym interesującym rodzajem szkła jest szkło ceramiczne, zwane inaczej tworzywem szklano‑ceramicznym. Pierwsze etapy jego produkcji przeprowadza się tak, jak zwykłe szkło, jednak różnica polega na tym, że pozostawia się masę szklaną, aby skrystalizowała. Pomiędzy kryształami nie ma porów, w przeciwieństwie do zwykłej ceramiki. Szkło ceramiczne ma dużą wytrzymałość mechaniczną i termiczną, przez co znajduje zastosowanie między innymi jako materiał do produkcji płyt indukcyjnych.
Szkło samoczyszczące to szkło elewacyjne, wyposażone w bardzo trwałą powłokę z tlenku tytanu(). Wskutek oddziaływania promieni UV, nagromadzone na powierzchni szkła zanieczyszczenia organiczne ulegają rozpadowi, a zabrudzenia mineralne tracą swoją przyczepność. „Osłabione” zanieczyszczenia zostają z łatwością zmyte z powierzchni szyb w czasie deszczu. „Samoczyszczenie” nie oznacza, że szkło nie wymaga w ogóle mycia, zwłaszcza w strefach o dużym zanieczyszczeniu.
Od wieków szkło gości w naszych domach nie tylko za sprawą szklarzy, którzy montowali i nadal wprawiają szyby w oknach, ale także dzięki różnym naczyniom i przedmiotom wykonanym z tego materiału. Im bardziej nowoczesne wnętrze, tym więcej szklanych elementów. Wzrasta też skala jego zastosowania w budownictwie.
Lustro fenickie (w języku potocznym nazywane lustrem weneckim) to odmiana lustra, które odbija część światła, a część przepuszcza. Jest to szyba pokryta cienką warstwą metalu, zazwyczaj umieszczona między dwoma pomieszczeniami – jedno z nich jest przyciemnione, a drugie jasno oświetlone. Osoby znajdujące się w jasno oświetlonym pomieszczeniu, widzą własne odbicie. Natomiast w ciemnym pomieszczeniu, światło przechodzące przez lustro ma znacznie większe natężenie niż to odbite, stąd osoby znajdujące się w nim mogą swobodnie obserwować jaśniejsze pomieszczenie jak przez szybę. Dla wzmocnienia efektu, używa się czasem szyb przyciemnianych. Najbardziej znane zastosowanie tego typu szkła możesz kojarzyć z filmów lub seriali, kiedy na komendzie pokazuje się świadkom osoby podejrzane, ale te ich już nie widzą. Różnica w natężeniu oświetlenia między jednym a drugim pomieszczeniem powinna wynosić , dzięki temu uzyskamy pożądany efekt – z jednej strony lustro, a z drugiej to tylko zwykłe okno.
Podsumowanie
Szkło to materiał bezpostaciowy, otrzymywany przez stopienie mieszaniny piasku, węglanu sodu i węglanu wapnia oraz stłuczki. Do masy szklanej wprowadza się również dodatkowe substancje, które mają wpływ na inne właściwości szkła.
O szerokim zastosowaniu szkła w technice i w różnych dziedzinach życia decydują jego właściwości, takie jak duża twardość, przezroczystość, niska przewodność cieplna i elektryczna, duża odporność chemiczna, brak ograniczeń co do kształtu.
Ze względu na skład chemiczny, wyróżnia się szkło sodowe, potasowe, borowo–krzemowe, ołowiowe, kwarcowe i wodne.
Rodzaje szkła wyróżniane ze względu na jego przeznaczenie: budowlane, techniczne, gospodarcze, opakowaniowe.
Rodzajami tzw. szkła bezpiecznego są: zbrojone, hartowane, klejone, laminowane i inne.
Korzystając z dostępnych źródeł informacji, uzasadnij tezę: „Nowoczesne szkło budowlane stwarza wiele możliwości i może zaspokoić oczekiwania nawet bardzo wymagającego klienta”.
Gęstość szkła wynosi . Oblicz, jaką masę ma tafla szkła płaskiego o powierzchni i grubości .
Słownik
proces, podczas którego ze szkła usuwane są pęcherzyki gazu
materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego
narzędzie używane przez szklarza (hutnika) do formowania szkła; ma kształt długiej, dość cienkiej rurki; na jednym końcu znajduje się nabel, na który nabiera się z pieca roztopioną masę szkła, a na drugim końcu jest ustnik, przez który wydmuchuje się nabraną masę
materiał, który dobrze przewodzi prąd elektryczny
piasek, soda, wapień, stłuczka szklana oraz środki barwiące
tworzywo o nieuporządkowanej strukturze, otrzymywane w wyniku schłodzenia stopionej mieszaniny piasku kwarcowego, wapienia i sody
szkło płaskie produkowane metodą „floatowania”, czyli równomiernego „rozlewania“ masy szklanej na powierzchni stopionej cyny
materiał stosowany do izolacji termicznej i akustycznej, otrzymywany w wyniku topienia w temperaturze piasku kwarcowego, stłuczki szklanej z dodatkiem skał, takich jak dolomit czy wapień; roztopiony surowiec poddaje się procesowi rozwłókniania, a do otrzymanych włókien dodaje się spoiwo (np. żywice)
mieszanina surowców, z których powstaje masa szklarska
ciało stałe, które nie ma budowy krystalicznej; charakteryzuje się chaotycznym rozmieszczeniem atomów (cząsteczek), podobnie jak w cieczach, z tą jednak różnicą, że atomy (cząsteczki) w tym przypadku nie mogą się swobodnie poruszać
Ćwiczenia
Uporządkuj we właściwej kolejności etapy produkcji szklanych butelek.
Oceń, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe.
Prawda | Fałsz | |
Szkło kryształowe to szkło o największej gęstości. | □ | □ |
Szkło ceramiczne ma bardzo duży współczynnik rozszerzalności cieplnej. | □ | □ |
Szkło potasowe charakteryzuje się niską temperaturą topnienia. | □ | □ |
Szkło kwarcowe wykazuje niską przepuszczalność dla promieniowania UV. | □ | □ |
Szkło optyczne to szkło o niskim współczynniku załamania światła. | □ | □ |
Szkło hartowane rozpada się na drobne kawałki po uszkodzeniu. | □ | □ |
Szkło wielowarstwowe jest przykładem szkła bezpiecznego. | □ | □ |
Zapoznaj się z poniższym tekstem dotyczącym szkła rubinowego (cranberry glass). Następnie wybierz zdania prawdziwe.
Zapoznaj się z poniższym tekstem dotyczącym szkła rubinowego (cranberry glass). Następnie wybierz zdania prawdziwe.
Cranberry glass or „Gold Ruby” glass is a pinkish‑red glass made by adding gold salts or colloidal gold to molten glass. By adding gold chloride to hot molten glass, glassmakers created different shades varying from pink to burgundy. Cranberry glass is made in craft production rather than in large quantities, due to the high cost of the gold. The gold chloride is made by dissolving gold in a solution of nitric acid and hydrochloric acid (aqua regia). The glass is typically hand blown or molded. The finished, hardened glass is a type of colloid, a solid phase (gold) dispersed inside another solid phase (glass).
Bibliografia
Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, t. 1‑2, Warszawa 2012, wyd. 6.
Encyklopedia PWN
Pazdro K. M., Chemia. Pierwiastki i związki nieorganiczne, Warszawa 2012.