Реферат: Стекло

Реферат по химии.

«Стекло»

Введение.

Основнойразновидностью аморфного состояния веществ в природе является стеклообразноесостояние. Это твердое, однородное, хрупкое, в той или иной степени прозрачноетело с раковистым изломом. По своей структуре стеклообразное состояние занимаетпромежуточное положение между кристаллическими веществами и жидкими. С давнихпор стекло и стеклоподобные материалы нашли применение в нашей жизни. В даннойисследовательской работе будет рассматриваться получение  стеклообразующихсистем на основе Bi и их применениядля изготовления флюсов.

В большойстепени строение и свойства стеклообразных систем относятся ко флюсам так каксами флюсы это легкоплавкие стекла служащие полуфабрикатами в керамическойпромышленности. Они, как правило, применяются для изготовления надглазурныхкерамических красок для фарфора, фаянса, стекла. Температуры плавления ифизико-химические свойства красок весьма разнообразны.

Так как самкраситель представляет собой смесь флюса и пигмента, причем основную массузанимает флюс ( от 85 до 99% в зависимости от необходимой интенсивности иоттенка получаемой краски), а после обжига краска представляет собой цветнуюпленку стекла можно сказать, что готовый продукт будет в большей степени иметьпрактически все свойства которыми обладает стеклообразный флюс.

Общиесведения о керамических флюсах.

Флюсы длякерамических целей представляют собой легкоплавкие свинцовые, борносвинцовые,щелочные борносвинцовые и другие стекла.

Обычно похимическому составу и температуре флюсы подразделяются на три группы. Пофизическим свойствам флюсы являются типичными телами, однако в них искусственноможно вызывать кристаллизацию. 

Для каждогопигмента необходимо подобрать такой флюс, который бы соответствовал еесвойствам и не действовал разрушающе на краситель. Состав флюса также долженбыть согласован с составом глазури так, чтобы коэффициенты термическогорасширения их были весьма близки, иначе после обжига краска будет отслаиватьсяили давать трещины.

Основнымиматериалами для получения флюсов являются: кварц, полевой шпат, пегматиты,каолин, мел, барит, бура, борная кислота, сода, поташ, сода и.т.п.

Для получениякислотоупорных красителей в настоящее время применяют флюсы, содержащие0,1-0,15 моль % Al2O3.

Материалывходящие в состав флюсов подвергают тщательной сортировке, очистке, промывке исушке. Учитывая высокую прочность некоторых материалов их перед размоломподвергают обжигу, а затем резкому охлаждению.

Дальнешийэтап изготовления связан с плавкой смеси, помолом и дальнейшим изготовлениемкрасителя.

Стеклообразноесостояние.

Все вещества,находящиеся в стеклообразном состоянии обладают несколькими общимифизико-химическими характеристиками. Типичные стеклообразные тела:

1. изотопы,т.е. свойства их одинаковы во всех направлениях;

2.принагревании не плавятся, как кристаллы, а постепенно размягчаются, переходя изхрупкого в тягучее, высоковязкое и, наконец, в капельножидкое состояние, причемне только вязкость, но и другие свойства их изменяются непрерывно

3.расплавляютсяи отвердевают обратимо. То есть выдерживают неоднократный разогрев дорасплавленного состояния, а после охлаждения по одинаковым режимам, вновьприобретают первоначальные свойства ( если не произойдет кристаллизация илиликвация.

Обратимостьпрессов и свойств указывает на то, что стеклообразующие расплавы и затвердевшеестекло являются истинными растворами, ибо обратимость знак истинного раствора.Определение стекла как переохлажденной жидкости вытекает из способа получениястекла. Для перевода кристаллического тела в стеклообразное состояние егонеобходимо расплавить и затем переохладить снова.

Переходвещества из жидкого состояния в твердое при понижении температуры можетпроисходить двумя путями: вещество кристаллизуется либо застывает в видестекла. По первому пути могут следовать почти все вещества. Однако путькристаллизации обычен только для тех веществ, которые будучи в жидкомсостоянии, обладают малой вязкостью и вязкость которых возрастает сравнительномедленно, вплоть до момента кристаллизации. К таким веществам безусловно можноотнести и оксид висмута, который в чистом состоянии практически не образуетстекол, поэтому создание стеклообразующих систем на его основе долгое времябыло трудной задачей.

Сопоставлениепонятий “свойство-состав” стеклообразных систем показывает, что большинствосвойств в первом приближении можно разделить на две группы — простые и сложные.К первой группе относятся свойства, находящиеся в сравнительно несложнойзависимости от молярного состава и поэтому поддающиеся количественному расчету,например: молярный объем, показатель преломления, средняя дисперсия,термический коэффициент линейного расширения, диэлектрическая проницаемость,модуль упругости, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности.

Ко второйгруппе относятся свойства гораздо более чувствительные к изменению состава.Зависимость их от состава сложна и часто не поддается количественнымобобщениям. Таковы: вязкость, электропроводность, скорость диффузии ионов,диэлектрические потери, химическая стойкость, светопропускание, твердость,поверхностное натяжение, кристаллизационная способность и др. Расчет этихсвойств возможен лишь в частных случаях.

На свойствапервой группы различные компоненты оказывают соизмеримое воздействие, которое можновыразить теми или иными критериями одного порядка.

Свойствавторой группы в решающей мере зависят от концентрации щелочей или отконцентрации каких либо других избранных компонентов.

К особойгруппе свойств следует отнести прочностные характеристики стекол. Влияниесостава на прочность стеклянных изделий, исключая стеклянное волокно, обычнотрудно выявимо, так как более важную роль играют другие факторы, обусловленныевнешними воздействиями.

Перечислимважнейшие свойства стекла, многие из  которых будут важны при разработке исинтезе флюса.

1). Свойстваразмягченного и расплавленного стекла:

      Вязкость:свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкостидругой.

Плавкость: практическая величина,характеризующая скорость размягчения стекла и растекания вязкого расплава потвердой поверхности при различных температурах. Плавкость представляет собойсложную функцию вязкости, поверхностной энергии на границах фаз,кристаллизационной способности, температуры начала кристаллизации и плотностисостава.

Смачивающаяспособность:способность расплава по отношению к различным твердым поверхностям смаивать их,и характеризуется краевым углом смачивания и краевым углом растекания иоттекания.

2). Молярныйобъем и плотность.

Молярныйобъем стекла равен отношениюмолекулярного состава стекла к его плотности. Так ака молекулярный вес стеклазависит от способа исчисления состава стекла, то и молярный объем являетсявеличиной условной.

3).Оптические свойства стекла.

Показательпреломления и дисперсия: способность стекла преломлять падающий на него свет принятохарактеризовать посредством показателя преломления для желтого луча,испускаемого накаленными парами натрия, либо светящимся гейслеровской трубкегелием. Разница между этими величинами ничтожна, так как длины волн весьмаблизки.

Дисперсия этоотношение показателя преломления, уменьшенного на единицу, к средней дисперсии.

Дляпроизводства керамических красителей очень важен показатель преломления. Отнего зависит насколько сильно будет отражать видимый свет цветная пленкастеклообразного вещества находящаяся на поверхности керамического изделия, отэтого будет зависить и то, как декоративно это изделие будет выглядеть.

Магнитные,магнитооптические, электрооптические, электрические свойства имеют большеотношение к техническим и оптическим стеклам, а поэтому будут опущены в даннойработе.

3)Механические свойства.

Упругость: свойство твердого телавосстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия нагрузки.Упругость характеризуют такие величины как модуль нормальной упругости,называемый также модулем Юнга, который определяет величину напряжений,возникающих в упругом деформированном теле под влиянием нагрузки при растяжении(сжатии).

/>

Следовательно,чем выше модуль упругости, тем большее усилие требуется для того, чтобы вызватьданную деформацию или, другими словами, тем выше напряжения, возникающие в телепри данной деформации.

Внутреннеетрение:Стеклообразные системы, как и другие тела, обладают способностью поглощатьмеханические, в частности, звуковые и ультразвуковые колебания. Затуханиеколебаний зависит от состава неоднородностей в стекле, и обьясняется внутреннимтрением. Внутреннее трение силикатного стекла обусловлено собсвенными колебаниями

Si-O каркаса и тех или иных структурных элементов и ионов междустабильными положениями равновесия.

5)Термические свойства.

Термическиесвойства силикатных систем являются важнейшими свойствами как при изучении таки приизготовлении керамических и стеклянных изделий. Главными из термическихсвойств стекла и стеклоподобных систем можно назвать — термическое расширениестекла, теплопроводность и термостойкость.

Термическоерасширение:оценивается истинным aT,либо средними aDTкоэффициентами расширения (к. т. р.).

ИстинныйaT равен тангесу угла наклонакасательной, проведенной к экспериментальной кривой в точке соответствующейданной температуре.

Напрактике обычно пользуются средними коэффициентами aDT, измеренными в интервалах 20 — 100о,20 — 400о, 20 — Tоt.

Удельнаятеплоемкость: — истинная CT и средняя CDT определяются количеством тепла Q, требуемым для нагревания единицымассы стекла на 1оС.

Меройтермостойкости служит разность температур DT, которую выдерживает образец притемпературном толчке без разрушений.

Главноевлияние на термостойкость стекла оказывает коэффициент термического расширения a.

6)Химическая устиойчивость

Высокаяхимическая устойчивость по отношению к различным агрессивным средам — одно изочень важных свойсттв стекол. Однако, если рассматрмвать весь диапозонвозможных стеклообразных систем, то их химическая устойчивость можетразличаться на несколько порядков — от предельно устойчивого кварцевого стекладо растворимого (жидкого) стекла.

Следуетподчеркнуть сложность прцесса разрушения стекла в агрессивных жидкостях.Различают два основных вида явлений — растворение и выщелачивание.

Прирастворении компоненты стекла переходят в раствор в тех же соотношениях, вкаких они находятся в стекле. Многие стеклообразные стекольные системырастворяются с той или иной скоростью в плавиковой кислоте и вконцентрированных горячих растворах щелочей.

Процессвыщелачивания характеризует механизм взаимодействия стекла с водой и кислотами,исключая плавиковую. При выщелачивании в расвор переходят преймущественноизбранные компоненты — главным образом, оксиды щелочных и щелочноземельныхметаллов, в результате чего на поверхности стекла образуется зещитная пленка,которая по своему составу максимально приближена к стеклообразователю.

Переходот выщелачивания к растворению возможен и при взаимодействии стекла с водой илис HCl, H2SO4, HNO3 и. т. п. в том случае, если стекло чрезмернообогащено щелочами.

Охимической устойчивости стекла чаще всего судяд по потере массы образца послеобработки в агрессивной среде в течении заданного промежутка времени. Потеривыражаются в мг/см2. Более показателен метод избирательногоопределения компонентов, перешедших в раствор. При этом потери выражают числоммолей каждого из оксидов, перешедших в раствор с единицы поверхности стекла.

Дляхарактеристики химической устойчивости стекла в растворах в условиях высокихтемператур и давлений необходимо кроме потерь веса определять глубинуразрушенного слоя и характер разрушенной поверхности

Общая классификация неорганических стекол похимическому составу.

Стеклообразноесостояние присуще обширному классу неорганических веществ, от отдельныхэлементов до сложных многокомпонентных систем. Стекло, как искусственныйпродукт может включать в свой состав почти все элементы периодической системы.

Неорганическиестекла подразделяются на несколько типов: элементарные, оксидные, галогенидные,халькогенидные исмешанные.

Элементарные(одноатомные) стекла.

Элементарныминазываются стекла, состоящие из атомов одного элемента. В стеклоподобномсостоянии можно получить серу, селен, мышьяк, фосфор. Имеются сведения овозможности остеклования теллура и кислорода.

Прибыстром охлаждении до комнатной температуры расплавленная сера даеткаучукоподобный прозрачный продукт, нерастворимый в сероуглероде. Продуктотвердевает лишь при температуре -11оС. Показатель преломленияполученного стекла равен 1,998.

Расплавленныйселен в условиях быстрого охлаждения образует темноокрашенное стекло споказателем преломления 2,99.

Дляполучения мышьяка и фосфора в виде стекла требуются более сложные приемы.

Ниже100оС пары мышьяка конденсируются в чистом водороде, образуяаморфный порошок. Между 130 и 250о получается остеклованная пленка,имеющая металлический блеск.

Другимиметодами можно получить стеклоподобные системы из фосфора, углерода и некоторыхдругих веществ.

Оксидныестекла.

Всеразнообразие составов известных стекол, практически применяемых или имеющихперспективу применения и описанных в литературе разделяются на определенныеклассы и группы.

Приопределеии класса учитывается природа стеклообразующего оксида, входящего всостав стекла в качестве главного компонента. Классическимистеклообразователями являются оксид бора, оксид кремния, оксид германия, оксидфосфора. Многие другие оксиды переходят в состояние стекла лишь в условияхскоростного охлаждения в малых пробах (оксид мышьяка, оксид сурьмы, оксидтеллура, оксид ванадия), либо сами по себе практически не стеклуются (оксидалюминия, оксид галлия, оксид висмута, оксид титана, оксид молибдена, оксидвольфрама), однако, в комбинациях с определенными компонентами в двойных иболее сложных системах их скрытные и зачаточные стеклообразующие свойства резкоусиливаются, и они могут служить основой для синтеза самостоятельных классовстекол. Таким образом, различаются классы силикатных, боратных, фосфатных,германатных, теллуритных, алюминатных и других стекол. Каждый из классов, всвою очередь, разделяется на группы в зависимости от природы сопутствующихоксидов, входящих в состав стекла.

Большоераспространение имеют стекла, содержащие одновременно два или тристеклообразователя.

Каждаяиз групп силикатных, боратных, фосфатных и т.д. стекол может включать несколькодесятков и даже сотен стекол, существенно различающихся по природе и количествувходящих в них оксидов металлов.

Силикатныестекла:

Главнейшеезначение в практике принадлежит классу силикатных стекол. С ними не могутсравниться по распространенности в быту и в технике никакие другие классыстекол. Решаюшие преимущества силикатных стекол обусловлены их дешевизной,экономической доступностью, высокой химической устойчивостью в наиболеераспространенных химических реагентах и газовых средах, высокой твердостью,сравнительной простотой промышленного производства. Однако, во многих джвойныхсиликатных системах при плавлении происходят процессы ликвации, то естьнаблюдается жидкостная несмешиваемость. Вследствии ликвации резко ограниченыобласти стеклообразования в системах со многими оксидами.

Боратныестекла:

Стеклообразныйборный ангидрит легко получается путем простого плавления борной кислоты при1200-1300оС. Благодаря отличным электроизоляционным качествам исравнительной легкоплавкости боратные стекла широко применяются вэлектротехнике. Некоторые боратные стекла представляют интерес для оптотехники.

Стеклана основе других стеклообразователей также применяются в различных областяхпромышленности и быта. Однако по своей природе составные компоненты стеколпредставляют собой вещества со строго определенными физико-химическими свойствами.Каждый из этих элементов вносит в общее свойство стекла строго определенныйвклад. Для синтеза стеклообразующей системы с определенными свойствами иногдаприходится применять компоненты, которые не подходят на роль стеклообразователяс классической позиции. Однако обладают многими свойствами необходимыми длясинтеза планируемого материала. Одним из таких веществ является висмут.

При создании рефератабыли использованы книги: «Детская Энциклопедия Академии педагогических наукРСФСР»; «Компьютерная Энциклопедия Кирилла и Мефодия».