Реферат: Стекло

Общеобразовательная школа №1248.

Реферат по химии на тему:

Стекло

                                                                                      Работа выполнена

                                                                                      Учеником 9-го класса

                                                                                      Новиковым Игорем.

                                                                                      Учитель:

                                                                                      Лукомская А. Ф.

Москва 2004 год

Общая характеристика стекла.

Стекло, твёрдый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава. Для стекла  характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное, неустойчивое стеклообразное состояние. При определённых температурных условиях кристаллизуется. Стекло не плавится при нагревании подобно кристаллическим телам, а размягчается, последовательно переходя из твёрдого состояния в пластическое, а затем в жидкое. По агрегатному состоянию стекло занимает промежуточное положение между жидким и кристаллическим веществами. Упругие свойства делают стекло сходным с твёрдыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким. Склонность к образованию стекла характерна для многих веществ (селен, сера, силикаты, бораты и др.).

Стеклом  называют также отдельные группы изделий из стекла, например строительное стекло, тарное стекло, химико-лабораторное стекло и др. Изделия из стекла могут быть прозрачными или непрозрачными, бесцветными или окрашенными, люминесцировать под воздействием, например, ультрафиолетового и g-излучения, пропускать или поглощать ультрафиолетовые лучи и т.д. Наибольшее распространение получило неорганическое стекло, характеризующееся высокими механическими тепловыми, химическими и др. свойствами. Основная масса неорганического стекла выпускается для строительства (главным образом листовое) и для изготовления тары. Эти виды продукции получают преимущественно из стекла на основе двуокиси кремния (силикатное стекло); применение находят также и др. кислородные (оксидные) стекла, в состав которых входят окислы фосфора, алюминия, бора и т.д. К бескислородным неорганическим стеклам относятся стекла на основе халькогенидов мышьяка (As2S3), сурьмы (Sb2Se3) и т.д., галогенидов бериллия (BeFz) и т.д.По назначению различают: строительное стекло (оконное, узорчатое, стеклянные блоки и т.д.), тарное стекло, стекло техническое (кварцевое стекло, светотехническое стекло, стеклянное волокно и т.д.), сортовое стекло и т.д. Вырабатываются стекла, защищающие от ионизирующих излучений, стекла индикаторов проникающей радиации, фотохромные стекла с переменным светопропусканием, стекло, применяемое в качестве лазерных материалов, увиолевое стекло, пеностекло, растворимое стекло и др. Растворимое стекло, содержащее около 75% 3102, 24% Na2O и др. компоненты, образует с водой клейкую жидкость (жидкое стекло); используется как уплотняющее средство, например, для изготовления силикатных красок, конторского клея, в качестве диспергаторов и моющих средств, для пропитки тканей, бумаги и пр. Химический состав некоторых видов стекла приведён в таблице.

Физико-химические свойства стекла. Свойства стекла зависят от сочетания входящих в их состав компонентов. Наиболее характерное свойство стекла  — прозрачность (светопрозрачность оконного стекла 83—90%, а оптического стекла — до 99,95%). Стекло типично хрупкое тело, весьма чувствительное к механическим воздействиям, особенно ударным, однако сопротивление сжатию у стекла такое же, как у чугуна. Для повышения прочности стекло подвергают упрочнению (закалка, ионный обмен, при котором на поверхности стекла происходит замена ионов, например натрия, на ионы лития или калия, химическая и термохимическая обработка и др.), что ослабляет действие поверхностных микротрещин (трещины Гриффитса), возникающих на поверхности стекла в результате воздействия окружающей среды (температура, влажность и пр.) и являющихся концентраторами напряжений, и позволяет повысить прочность стекла в 4—50 раз. Обычно для устранения влияния микротрещин применяют стравливание или сжатие поверхностного слоя. При стравливании дефектный слой растворяется плавиковой кислотой, а на обнажившийся бездефектный слой наносится защитная плёнка, например из полимеров. При закалке поверхностный слой сжимается, что препятствует раскрытию трещин. Плотность стекла 2200—8000 кг/м³, твёрдость по минералогической шкале 4,5—7,5, микротвёрдость 4—10 Гн/м², модуль упругости 50—85 Гн/м². Предел прочности стекла при сжатии равен 0,5—2 Гн/м², при изгибе 30—90 Гн/м², при ударном изгибе 1,5—2 Гн/м². Теплоёмкость стекла 0,3—1 кДж/кг - К, термостойкость 80°— 1000 °С, температурный коэффициент расширения (0,56—12) 10⁹ 1/К. Коэффициент теплопроводности  стекла мало зависит от его химического состава и равен 0,7—1,3 Вт/(м^. К). Коэффициент преломления 1,4—2,2, электрическая проводимость 10^-8—10^-18 Ом ^-1. см¹, диэлектрическая проницаемость 3,8—16.

Технология стекла. Производство стекла состоит из следующих процессов: подготовки сырьевых компонентов, получения шихты, варки стекла, охлаждения стекломассы, формования изделий, их отжига и обработки (термической, химической, механической). К главным компонентам относят стеклообразующие вещества (природные, например SiO₂, и искусственные, например Na₂CO₃), содержащие основные (щелочные и щёлочноземельные) и кислотные окислы. Главный компонент большинства промышленных стекол — кремнезём (кремния двуокись), содержание которого в стекле составляет от 40 до 80% (по массе), а в кварцевых и кварцоидных от 96 до 100%. В стекловарении обычно в качестве источника кремнезёма используют кварцевые стекольные пески, которые в случае необходимости обогащают. Сырьём, содержащим борный ангидрид, являются борная кислота, бура и др. Глинозём вводится с полевыми шпатами, нефелином и т.д.; щелочные окислы — с кальцинированной содой и поташом; щёлочноземельные окислы — с мелом, доломитом и т.п. Вспомогательные компоненты — соединения, придающие то или иное свойство, например окраску, ускоряющие процесс варки и т.д. Например, соединения марганца, кобальта, хрома, никеля используются как красители, церия, неодима, празеодима, мышьяка, сурьмы — как обесцвечиватели и окислители, фтора, фосфора, олова, циркония — как глушители (вещества, вызывающие интенсивное светорассеяние); в качестве осветлителей применяют хлорид натрия, сульфат и нитрат аммония и др. Все компоненты перед варкой просеиваются, сушатся, при необходимости измельчаются, смешиваются до полностью однородной порошкообразной шихты, которая подаётся в стекловаренную печь. Процесс стекловарения условно разделяют на несколько стадий: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и охлаждение («студку»). При нагревании шихты вначале испаряется гигроскопическая и химически связанная вода. На стадии силикатообразования происходит термическое разложение компонентов, реакции в твёрдой и жидкой фазе с образованием силикатов, которые вначале представляют собой спекшийся конгломерат, включающий и не вступившие в реакцию компоненты. По мере повышения температуры отдельные силикаты плавятся и, растворяясь, друг в друге, образуют непрозрачный расплав, содержащий значительное количество газов и частицы компонентов шихты. Стадия силикатообразования завершается при 1100—1200 °С. На стадии стеклообразования растворяются остатки шихты, и удаляется пена — расплав становится прозрачным; стадия совмещается с конечным этапом силикатообразования и протекает при температуре 1150—1200 °С. Собственно стеклообразованием называют процесс растворения остаточных зёрен кварца в силикатном расплаве, в результате чего образуется относительно однородная стекломасса. В обычных силикатных стеклах содержится около 25% кремнезёма, химически не связанного в силикаты (только такое стекло оказывается пригодным по своей химической стойкости для практического использования). Стеклообразование протекает значительно медленнее, чем силикатообразование, оно составляет около 90% от времени, затраченного на провар шихты и около 30% от общей длительности стекловарения. Обычная стекольная шихта содержит около 18% химически связанных газов (СО₂, SO₂, O₂ и др.). В процессе провара шихты эти газы в основном удаляются, однако часть их остаётся в стекломассе, образуя крупные и мелкие пузыри. На стадии осветления при длительной выдержке при температуре 1500—1600 °С уменьшается степень перенасыщения стекломассы газами, в результате чего пузырьки больших размеров поднимаются на поверхность стекломассы, а малые растворяются в ней. Для ускорения осветления в шихту вводят осветлители, снижающие поверхностное натяжение стекломассы; стекломасса перемешивается специальными огнеупорными мешалками или через неё пропускают сжатый воздух или др. газ. Одновременно с осветлением идёт гомогенизация — усреднение стекломассы по составу. Неоднородность стекломассы обычно образуется в результате плохого перемешивания компонентов шихты, высокой вязкости расплава, замедленности диффузионных процессов. Гомогенизации способствуют выделяющиеся из стекломассы газовые пузыри, которые перемешивают неоднородные микроучастки и облегчают взаимную диффузию, выравнивая концентрацию расплава. Наиболее интенсивно гомогенизация осуществляется при механическом перемешивании (наибольшее распространение эта операция получила в производстве оптического стекла). Последняя стадия стекловарения — охлаждение стекломассы («студка») до вязкости, необходимой для формования, что соответствует температуре 700—1000 °С. Главное требование при «студке» — непрерывное медленное снижение температуры без изменения состава и давления газовой среды; при нарушении установившегося равновесия газов образуется т. н. вторичная мошка (мелкие пузыри). Процесс получения некоторых стекол отличается специфическими особенностями. Например, плавка оптического кварцевого стекла в электрических стекловаренных печах ведётся сначала в вакууме, а в конце плавки — в атмосфере инертных газов под давлением. Производство каждого типа стекла определяется технологической нормалью. Формование изделий из стекломассы осуществляется механическим способом (прокаткой, прессованием, прессовыдуванием, выдуванием и т.д.) на стеклоформующих машинах. После формования изделия подвергают термической обработке (отжигу). В результате отжига (выдержки изделий при температуре, близкой к температуре размягчения стекла) и последующего медленного охлаждения происходит релаксация напряжений, появляющихся в стекле при быстром охлаждении. В результате т. н. закалки в стекле возникают остаточные напряжения, обеспечивающие его повышенную механическую прочность, термостойкость и специфический (безопасный) характер разрушения в сравнении с обычным стеклом (закалённые стекла применяют для остекления автомобилей, вагонов и т.п. целей).

Виды стекла.

Строительное стекло, изделия из стекла, применяемые для остекления световых проёмов, устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок, облицовки и отделки стен, лестниц и др. частей зданий. К строительному стеклу относят также тепло- и звукоизоляционные материалы (пеностекло и стекловата) и стеклянные трубы. Строительное стекло подразделяют на листовое оконное стекло, полированное, витринное, армированное, узорчатое, цветное, профилированное, стеклоблоки, стеклопакеты, марблит, коврово-мозаичное, увиолевое стекло, стемалит и некоторые др. виды.

Оконное строительное стекло вырабатывается в виде плоских листов размером от 400 Х 400 до 1600 Х 2200 мм и толщиной от 2 до 6 мм, плотность 2470—2500 кг/м² средняя прочность при симметричном изгибе 40Мн/м² (400 кгс/см²), светопропускание 84—87%.

Полированное строительное стекло обладает минимальными оптическими искажениями, применяется для остекления витрин и оконных проёмов в общественных зданиях, для зеркал и т.д. Из полированного закалённого стекла толщиной 10—20 мм изготовляют стеклянные полотна для дверей размером от 2200 Х 700 до 2600 Х 1040 мм.

Узорчатое строительное стекло имеет с одной стороны рифлёную поверхность, предназначается для рассеяния света. Размеры его от 400 Х 400 до 1200 Х 1800 мм при толщине 3—6,5 мм. Узорчатое строительное стекло с матовым или «морозным» рисунком используют для остекления лестничных клеток, внутренних перегородок.

Цветное строительное стекло может быть окрашенным по всей толщине или состоять из 2 слоев — основного бесцветного и тонкого цветного: применяют для витражей, декорирования мебели, остекления зданий.

Профилированное строительное стекло — стекло с профилем швеллерного или коробчатого типа (стекор). Применяется как стеновой материал (гаражи, киоски, автобусные остановки и т.д.), толщина 6 мм, светопропускание 0,6—0,75%.

Марблит — прокатанное глушенное цветное строительное стекло для облицовки стен внутренних помещений промышленных и общественных зданий.

Стеклянные трубы применяются в качестве трубопроводов на заводах химической и пищевой промышленности и в сельском хозяйстве; характеризуются повышенной коррозионной стойкостью в сравнении с металлическими. Потери на трение при протекании жидкости в стеклянных трубах на 22% ниже, чем у новых чугунных, и на 6,5% ниже, чем у новых стальных. Стеклянные трубы выпускаются с внутренним диаметром от 38 до 200 мм.

Стекло оптическое— прозрачное стекло любого химического состава, обладающее высокой степенью однородности. С одержат 46,4% РЬО, 47,0% Si0 и другие оксиды; кроны — 72% SiO   щелочные и другие оксиды.

Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др.

Стекло строительное— изделия из стекла, применяемые в строительстве. Строительное стекло служит для стекления световых проёмов, устройства прозрач­ных и полупрозрачных перегородок, облицовки и отделки стен, лестниц и других частей зданий. К строительным стеклам, относят также тепло- и звукоизоляционные материалы из стекла (пеностекло и стеклянная вата), стеклянные трубы для скрытой электропро­водки, водо п ровода, канализации и других целей, архитектурные детали, элементы стекложелезобетонных перекрытий и т. д. Б ольшая часть ассор­тимента строительного стекала служит для остекления световых проё­мов: листовое оконное стекло, зеркальное, р и флё­ное, армированное, узорчатое, двухслой н ое, пусто­телые блоки и др. Тот же ассортимент стекла может быть использован и для устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок.

Листовое оконное стекло, наиболее широко применяемое в строительстве, вырабаты­вается из расплавленной стекломассы, главным образом вер­тикальным или горизонтальным непрерывным вытя­гиванием ленты, от которой по мере её охлаждения и затвердевания отрезаются от од н ого ко н ца листы требу е мых размеров. Существен­ным недостатком листового окон н ого стекла являет­ся наличие некоторой волнистости, искажающей пред­меты, просматриваемые через него (в особенности под острым углом).

Зеркальное  стекло   обрабатывается шлифовани е м и полировкой с обеих сторон, благо­даря чему оно обладает минимальными оптическим искажениями. Современный наиболее распростра­нённый способ производства зеркального стекла состоит в горизонтальной непрерывной прокатке стекломассы между двумя валами, отжиге отформо­ванной ленты в туннельной печи, шлифовке и поли­ровке на механизированных и автоматизированны х конвейерных установках. Зеркальное стекло изго­товляется толщиной от 4 мм и выше (в особых слу­чаях — до 40 мм ), для варки его прим е няют высоко­качественные материалы, поэтому оно о блада е т и более высоким светопропусканием , чем обычное оконное стекло; применяется главным образом для остекления окон и дверей в общественных здан и ях, витри н и для изготовл е ­ния зеркал; механич еские свойства мало отличаются от механич еских свойств оконного стекла.

Прокатное узорчатое стекло имеет узорчатую поверхность, получа е мую путём про­катки между двумя валками, один из которых рифлё­ный; вырабатыва е тся как бесцветное, так и цветное; прим е няется в тех случаях, когда требуется полу­чить рассея н ный свет.

Узорчатое стекло с матовыми или «морозным» рисунком прим е няется для внутренних перегородок, дверных филёнок и осте­кления лестничных клеток; изготовляется путём обработки поверхности оконного или зеркального стекла. Матовый рисунок получается обработкой поверхности стру е й песка под шаблон. Рису н ок, напоминающий морозный узор на стекле, получают нанесением на поверхность слоя животного клея, который в процессе сушки отрывается вместе с верх­ними слоями стекла.

Армированное стекло содержит в тол­ще своей проволочную сетку; оно более прочно, чем обычное; при разбивании ударами или растрескивании во время пожара осколки его рассыпаются, будучи связанными арматурой; поэтому армирован­ное стекло приме н яют для остекления фонарей промышлен н ых и общественных зда н ий, кабин подъёмников, лестничных клеток , проёмов противопожарных сте н . Вырабатывается методом непре­рывного проката между валками с закаткой про­волочной с е тки, сматываемой с отдельного бара­бана. Волнистое армированное стекло, по форме напоминающ е е вол н истые асбестоцементные листы, применяется для устройства перегородок, фонарей, п е рекрытия стеклянных галерей и пассаж е й.

С двоенные (пакет н ые) стекла с воз­душ н ой или светорассеивающей прослойкой ( н апример, из стеклянного волокна) обладают хорошими теп­лоизоляционными свойствами; изготовля ю тся путём склейки 2 оконных ст е кол с прокладной рамкой. Тол­щина сдвоенных ст е кол с воздушной прослойкой 12—15 мм.

Пустотелые стеклянные блоки изготовляются путём прессования и последующей сварки двух стеклянных полукоробок; применяются для заполнения световых проёмов, главным образом в пром ы шленных зданиях; обеспечивают хорошую осве­щённость рабочих мест и обладают высокими тепло­изоляционными свойствами. Укладка блоков в проёмы производится на строительном растворе в виде панелей, перевяза н ных металлическими пере п лё­тами.

Облицовочное стекло (марблит) пред ­ ставляет собой н е прозрач н ое цвет н ое листовое стекло. Изготовляется путём периодической прокатки стекломассы на литейном столе с последующим от­жигом в туннельных печах. Приме н яется для от­делки фасадов и интерьеров жилых и общественных зданий. К облицовочному стеклу относится такж е цветное металлизированное стекло.

Стекло кварцевое— содержит не менее 99% SiO- (кварца). Кварцевое стекло выплав­ляют при температуре более 1700° С из самых чистых разновидностей кристал­лического кварца, горного хрусталя, жильного кварца или чистых кварцевых песков. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолето­вые лучи, имеет очень высокую темпера­туру плавления, благодаря небольшому коэффициенту расширения выдерживает резкое изменение температур, стойкое по отношению к воде и кислотам. Кварцевое стекло применяют для изготовления лаборатор­ной посуды, тиглей, оптических прибо­ров, изоляционных материалов, ртутных ламп («горное солнце »), применяемых в медицине и др.

 Стекло органическое (плекси­глас) — прозрачная бесцветная пласти­ческая масса, образующаяся при полиме­ризации метилового эфира метакриловой кислоты . Лег­ко поддается механической обработке. Применяется как листовое стекло в авиа- и машиностроении, для изготовления бытовых изделий, средств защиты в ла­бораториях и др.

Стекло рсстворимое— смесь си­ликатов натрия и калия (или только натрия), водные растворы которых назы­ваются жидким стеклом. Растворимое стекло применяют для изготовления кислотоупорных цемен­тов и бетонов, для пропитки тканей, изго­товления огнезащитных красок, силикагеля, для укрепления слабых грунтов, канцелярского клея и др.

Стекло химико-лабораторное— стекло, обладающее высокой хи­мической и термической стойкостью. Для повышения этих свойств в состав стекла вводят оксиды цинка и бора.

Стекловолокно— искусственное волокно строго цилиндрической формы с гладкой поверхностью, получаемое вы­тягиванием или расчленением расплав­ленного стекла. Широко применяется в химической промышленности для фильтрации горячих кислых и щелочных растворов, очистки горячего воздуха и газов, изготовления сальниковых наби­вок в кислотных насосах, армирования стеклопластиков и др.

Оптическое стекло.

Стекло для оптич еских прибор ов изготовлялось уже в 18 веке, однако возникновени я собственно производства оптического стекла относится к началу 19 века, когда швейцарским учёным П. Гинаном был изобретён способ механического размешивания стекломас­сы во время варки и охлаждения — круговым движе­нием глиняного стержня, вертикально погруж е нного в стекло. Этот приём, сохранившийся до н астоящего времени, позволил получить стекло высокой степени однородности. Производство оптического стекла получило дальней­шее развитие благодаря совместным работам немецких учёных Э. Аббе и Ф. О. Шотта, в результате которых в 1886 возник изв е стны й стекольный завод товарище­ства Шотт в Иене (Германия), впервые выпустивший огромное многообразие совреме н ных оптических стекол. До 1914 производство оптического стекла существовало только в Англии, Франции и Германии. В России начало производства оптического стекла относится к 1916. О н о достигло большого развития только после Великой Октябрь­ской социалистической революции благодаря рабо­там советских учё н ых Д. С . Рождественского, И. В. Гребенщикова, Г. Ю. Жуковского, Н. Н. Качалова и др.

Основное требование, предъявляемое к оптическому стеклу— это высокая степе н ь однородности. Отсутствие одно­родности вызывает отклонение лучей света от их правильного пути, что делает стекло негодным для его прямого назначения. Однородность оптического стекла нару­шается причинами химич еского и физич еского порядка. Хими­ческая неод н ородность обусловлена местными из­мене н иями химического состава и устраняется размешиванием оптического стекла в процессе варки. Физическая неод н о­родность вызывается напряжениями, возникающими в процессе охлаждения оптического стекла, и устра н яется тщатель­ным отжигом. Оптическое стекло должно иметь определённые оптические свойства— точные величины показателей преломления для лучей различных длин волн. Боль­шой ассортиме н т оптического стекла с различными показателями преломления и средней дисперсией имеет огром н ое значение при расчёте и конструировании оптических систем для снижения их дефектов, в частности для уничтожения вредного влияния вторичного спектра и исправления качества изображения.

Оптические свойства стекла зависят от его химического состава. Разнообразным сочетанием окислов удаётся получить стекло с требуемыми значениями оптических постоянных. Некоторы е сорта оптического стекла, например, н е содер­жат кремнезёма (основного составляющего любого стекла), другие содержат обычно применяемые окислители, но в чр е звычайно больших количествах. Прозрачность оптического стекла должна быть высокой, порядка 90—97% на 100 мм пути луча в стекле. Оптическое стекло должно быть химически устойчивым по отношению к действию влажной ат­мосферы и к действию слабых кислот, характери­зующему «пятнимость» их, т. е. чувствительность к прикосновению рук.

Для производства оптического стекла применяются такие ж е сырьевые материалы, как и для других типов ст екол. Однако требования к чистоте сырья весьма высоки. Особенно вредными прим е сями являются соединения железа и хрома, окрашивающие стекло и увеличивающие его светопоглощепие. Варка оптического стекла производится в одно -, двухгоршковых печах. Важ­нейшая операция в производстве оптического стекла— размешивание стекла в процессе варки и, особенно в процессе охлаждения. Для разделки оптического стекла применяются три способа:

1)          охлаждение стекла вместе с горшком с последующей разбивкой на куски и формовкой этих кусков в нагретом состоянии;

 2) отливка стекло­массы в железную форму;

 3) прокатка в лист отлитой на стол стекломассы.

Оптические стекла выпускаются стекло­варенными заводами в виде прямоугольных кусков различных размеров «плитки» и в виде заготовок — «прессовки» (линзы, призмы).

К оптическим стеклам можно отнести также и специально окра­шенны е цветные ст е кла, применяемые для изготов­ления точных св е тофил ьт ров, которые в виде плоско-параллельных пластин часто применяются в оптических приборах и служат для изменения спек­траль н ого состава проходящего через них света. Эти цветные ст е кла изготовляются на заводах оптического стекла теми же приёмами, что и оптическое стекло.