Реферат: Стекло

Общеобразовательная школа №1248.

Реферат по химии на тему:

Стекло

                                                                                     Работа выполнена

                                                                                     Учеником 9-го класса

                                                                                     Новиковым Игорем.

                                                                                     Учитель:

                                                                                     ЛукомскаяА. Ф.

Москва 2004 год

Стекло, твёрдыйаморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава. Для стекла характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное,неустойчивое стеклообразное состояние. При определённых температурных условияхкристаллизуется. Стекло не плавится при нагревании подобно кристаллическимтелам, а размягчается, последовательно переходя из твёрдого состояния впластическое, а затем в жидкое. По агрегатному состоянию стекло занимаетпромежуточное положение между жидким и кристаллическим веществами. Упругиесвойства делают стекло сходным с твёрдыми кристаллическими телами, а отсутствиекристаллографической симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает кжидким. Склонность к образованию стекла характерна для многих веществ (селен,сера, силикаты, бораты и др.).

Стеклом называют также отдельные группы изделий из стекла, например строительноестекло, тарное стекло, химико-лабораторное стекло и др. Изделия из стекла могутбыть прозрачными или непрозрачными, бесцветными или окрашенными,люминесцировать под воздействием, например, ультрафиолетового и g-излучения,пропускать или поглощать ультрафиолетовые лучи и т.д. Наибольшее распространениеполучило неорганическое стекло, характеризующееся высокими механическимитепловыми, химическими и др. свойствами. Основная масса неорганического стеклавыпускается для строительства (главным образом листовое) и для изготовлениятары. Эти виды продукции получают преимущественно из стекла на основе двуокисикремния (силикатное стекло); применение находят также и др. кислородные(оксидные) стекла, в состав которых входят окислы фосфора, алюминия, бораи т.д. К бескислородным неорганическим стеклам относятся стекла на основехалькогенидов мышьяка (As2S3), сурьмы (Sb2Se3) и т.д., галогенидовбериллия (BeFz) и т.д.По назначению различают: строительное стекло(оконное, узорчатое, стеклянные блоки и т.д.), тарное стекло, стеклотехническое (кварцевое стекло, светотехническое стекло, стеклянное волокнои т.д.), сортовое стекло и т.д. Вырабатываются стекла, защищающие отионизирующих излучений, стекла индикаторов проникающей радиации, фотохромныестекла с переменным светопропусканием, стекло, применяемое в качестве лазерныхматериалов, увиолевое стекло, пеностекло, растворимое стекло и др. Растворимоестекло, содержащее около 75% 3102, 24% Na2O и др. компоненты, образует с водойклейкую жидкость (жидкое стекло); используется как уплотняющее средство, например,для изготовления силикатных красок, конторского клея, в качестве диспергаторови моющих средств, для пропитки тканей, бумаги и пр. Химический составнекоторых видов стекла приведён в таблице.

Физико-химическиесвойства стекла. Свойства стекла зависят от сочетания входящих в ихсостав компонентов. Наиболее характерное свойство стекла  — прозрачность(светопрозрачность оконного стекла 83—90%, а оптического стекла — до 99,95%). Стеклотипично 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, наионы лития или калия, химическая и термохимическая обработка и др.), чтоослабляет действие поверхностных микротрещин (трещины Гриффитса), возникающихна поверхности стекла в результате воздействия окружающей среды (температура,влажность и пр.) и являющихся концентраторами напряжений, и позволяетповысить прочность стекла в 4—50 раз. Обычно для устранения влияния микротрещинприменяют стравливание или сжатие поверхностного слоя. При стравливаниидефектный слой растворяется плавиковой кислотой, а на обнажившийся бездефектныйслой наносится защитная плёнка, например из полимеров. При закалкеповерхностный слой сжимается, что препятствует раскрытию трещин. Плотностьстекла 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 изгибе30—90 Гн/м2, при ударном изгибе 1,5—2 Гн/м2. Теплоёмкостьстекла 0,3—1 кДж/кг — К, термостойкость 80°— 1000 °С, температурный коэффициентрасширения (0,56—12) 109 1/К. Коэффициент теплопроводности  стекламало зависит от его химического состава и равен 0,7—1,3 Вт/(м. К).Коэффициент преломления 1,4—2,2, электрическая проводимость 10-8—10-18Ом -1. см1, диэлектрическая проницаемость 3,8—16./>

Технологиястекла. Производство стекла состоит из следующих процессов: подготовкисырьевых 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. Главныйкомпонент большинства промышленных стекол — кремнезём (кремния двуокись),содержание которого в стекле составляет от 40 до 80% (по массе), а в кварцевыхи кварцоидных от 96 до 100%. В стекловарении обычно в качестве источникакремнезёма используют кварцевые стекольные пески, которые в случаенеобходимости обогащают. Сырьём, содержащим борный ангидрид, являются борнаякислота, бура и др. Глинозём вводится с полевыми шпатами, нефелиноми т.д.; щелочные окислы — с кальцинированной содой и поташом;щёлочноземельные окислы — с мелом, доломитом и т.п. Вспомогательныекомпоненты — 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 качествеосветлителей применяют хлорид натрия, сульфат и нитрат аммония и др. Всекомпоненты перед варкой просеиваются, сушатся, при необходимости измельчаются,смешиваются до полностью однородной порошкообразной шихты, которая подаётся встекловаренную печь. Процесс стекловарения условно разделяют на несколькостадий: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию иохлаждение («студку»). При нагревании шихты вначале испаряется гигроскопическаяи химически связанная вода. На стадии силикатообразования происходиттермическое разложение компонентов, реакции в твёрдой и жидкой фазе собразованием силикатов, которые вначале представляют собой спекшийсяконгломерат, включающий и не вступившие в реакцию компоненты. По мере повышениятемпературы отдельные силикаты плавятся и, растворяясь, друг в друге, образуютнепрозрачный расплав, содержащий значительное количество газов и частицыкомпонентов шихты. Стадия силикатообразования завершается при 1100—1200 °С. Настадии стеклообразования растворяются остатки шихты, и удаляется пена — расплавстановится прозрачным; стадия совмещается с конечным этапом силикатообразованияи протекает при температуре 1150—1200 °С. Собственно стеклообразованиемназывают процесс растворения остаточных зёрен кварца в силикатном расплаве, врезультате чего образуется относительно однородная стекломасса. В обычныхсиликатных стеклах содержится около 25% кремнезёма, химически не связанного всиликаты (только такое стекло оказывается пригодным по своей химическойстойкости для практического использования). Стеклообразование протекаетзначительно медленнее, чем силикатообразование, оно составляет около 90% отвремени, 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 восновном удаляются, однако часть их остаётся в стекломассе, образуя крупные имелкие пузыри. На стадии осветления при длительной выдержке при температуре1500—1600 °С уменьшается степень перенасыщения стекломассы газами, в результатечего пузырьки больших размеров поднимаются на поверхность стекломассы, а малыерастворяются в ней. Для ускорения осветления в шихту вводят осветлители,снижающие поверхностное натяжение стекломассы; стекломасса перемешиваетсяспециальными огнеупорными мешалками или через неё пропускают сжатый воздух илидр. газ. Одновременно с осветлением идёт гомогенизация — усреднение стекломассыпо составу. Неоднородность стекломассы обычно образуется в результате плохогоперемешивания компонентов шихты, высокой вязкости расплава, замедленностидиффузионных процессов. Гомогенизации способствуют выделяющиеся из стекломассыгазовые пузыри, которые перемешивают неоднородные микроучастки и облегчаютвзаимную диффузию, выравнивая концентрацию расплава. Наиболее интенсивно гомогенизацияосуществляется при механическом перемешивании (наибольшее распространение этаоперация получила в производстве оптического стекла). Последняя стадиястекловарения — охлаждение стекломассы («студка») до вязкости, необходимой дляформования, что соответствует температуре 700—1000 °С. Главное требование при«студке» — непрерывное медленное снижение температуры без изменения состава идавления газовой среды; при нарушении установившегося равновесия газовобразуется т. н. вторичная мошка (мелкие пузыри). Процесс получения некоторыхстекол отличается специфическими особенностями. Например, плавка оптическогокварцевого стекла в электрических стекловаренных печах ведётся сначала ввакууме, а в конце плавки — в атмосфере инертных газов под давлением. Производствокаждого типа стекла определяется технологической нормалью. Формование изделийиз стекломассы осуществляется механическим способом (прокаткой, прессованием,прессовыдуванием, выдуванием и т.д.) на стеклоформующих машинах. Послеформования изделия подвергают термической обработке (отжигу). В результатеотжига (выдержки изделий при температуре, близкой к температуре размягчениястекла) и последующего медленного охлаждения происходит релаксация напряжений,появляющихся в стекле при быстром охлаждении. В результате т. н. закалки встекле возникают остаточные напряжения, обеспечивающие его повышеннуюмеханическую прочность, термостойкость и специфический (безопасный) характерразрушения в сравнении с обычным стеклом (закалённые стекла применяют для остекленияавтомобилей, вагонов и т.п. целей)./>

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

Оконноестроительное стекло вырабатывается в виде плоских листов размером от400 Х 400 до 1600 Х 2200 мм и толщиной от 2 до 6 мм, плотность 2470—2500 кг/м2средняя прочность при симметричном изгибе 40Мн/м2 (400 кгс/см2),светопропускание 84—87%.

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

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

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

Профилированноестроительное стекло — стекло с профилем швеллерного или коробчатоготипа (стекор). Применяется как стеновой материал (гаражи, киоски, автобусныеостановки и т.д.), толщина 6 мм, светопропускание 0,6—0,75%.

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

Стеклянныетрубы применяются в качестве трубопроводов на заводах химической ипищевой промышленности и в сельском хозяйстве; характеризуются повышеннойкоррозионной стойкостью в сравнении с металлическими. Потери на трение припротекании жидкости в стеклянных трубах на 22% ниже, чем у новых чугунных, и на6,5% ниже, чем у новых стальных. Стеклянные трубы выпускаются с внутреннимдиаметром от 38 до 200 мм.

Стеклооптическое— прозрачное стекло любого химическогосостава, обладающее высокой степенью однородности. Содержат46,4% РЬО, 47,0% Si0и другие оксиды; кроны —72% SiO  щелочные и другие оксиды.

Оптическоестекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др.

Стеклостроительное— изделия из стекла, применяемые встроительстве. 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- извукоизоляционные материалы из стекла (пеностекло и стеклянная вата),стеклянные трубы для скрытой электропро­водки, водопровода,канализации и других целей, архитектурные детали, элементы стекложелезобетонных перекрытий и т. д. Большая часть ассор­тиментастроительного стекала служит для остекления световых проё­мов: листовое оконноестекло, зеркальное, рифлё­ное, армированное,узорчатое, двухслойное, пусто­телые блоки и др.Тот же ассортимент стекла может быть использован и для устройства прозрачных иполупрозрачных перегородок.

Листовоеоконное стекло,наиболее широко применяемое в строительстве, вырабаты­вается из расплавленнойстекломассы, главным образом вер­тикальным или горизонтальным непрерывным вытя­гиванием ленты, от которой по мере её охлаждения и затвердеванияотрезаются от одного концалисты требуемых размеров. Существен­ным недостатком листового оконногостекла являет­ся наличие некоторой волнистости,искажающей пред­меты, просматриваемые через него (в особенности под острым углом).

Зеркальное стекло  обрабатывается шлифованием и полировкой с обеихсторон, благо­даря чему оно обладает минимальными оптическим искажениями. Современный наиболее распростра­нённый способпроизводства зеркального стекла состоит в горизонтальной непрерывной прокаткестекломассы между двумя валами, отжиге отформо­ванной ленты в туннельной печи,шлифовке и поли­ровке на механизированных и автоматизированных конвейерныхустановках. Зеркальное стекло изго­товляется толщиной от 4 мм и выше (вособых слу­чаях — до 40 мм), для варки егоприменяют высоко­качественные материалы, поэтомуоно обладает и болеевысоким светопропусканием, чем обычное оконное стекло; применяется главным образом для остекления окон и дверей в общественных зданиях,витрин и для изготовле­ния зеркал; механическиесвойства мало отличаются от механических свойствоконного стекла.

Прокатное узорчатое стекло имеет узорчатую поверхность, получаемую путём про­катки между двумя валками, один из которых рифлё­ный; вырабатываетсякак бесцветное, так и цветное; применяется в техслучаях, когда требуется полу­чить рассеянныйсвет.

Узорчатоестекло с матовыми или «морозным» рисунком применяетсядля внутренних перегородок, дверных филёнок и осте­кления лестничных клеток; изготовляется путём обработкиповерхности оконного или зеркального стекла. Матовый рисунок получаетсяобработкой поверхности струей песка под шаблон. Рисунок, напоминающийморозный узор на стекле, получают нанесением на поверхность слоя животногоклея, который в процессе сушки отрывается вместе сверх­ними слоями стекла.

Армированноестекло содержитв тол­ще своей проволочную сетку; оно более прочно, чем обычное; при разбиванииударами или растрескивании во время пожара осколкиего рассыпаются, будучи связанными арматурой; поэтому армирован­ное стеклоприменяют для остекления фонарей промышленных иобщественных зданий, кабин подъёмников, лестничных клеток, проёмовпротивопожарных стен. Вырабатывается методом непре­рывногопроката между валками с закаткой про­волочной сетки,сматываемой с отдельного бара­бана. Волнистое армированное стекло, по форменапоминающее волнистыеасбестоцементные листы, применяется для устройстваперегородок, фонарей, перекрытия стеклянных галерей и пассажей.

Сдвоенные (пакетные) стекла с воз­душной или светорассеивающейпрослойкой (например, из стеклянного волокна) обладают хорошими теп­лоизоляционнымисвойствами; изготовляются путём склейки 2 оконныхстекол с прокладной рамкой. Тол­щина сдвоенных стекол с воздушной прослойкой12—15 мм.

Пустотелые стеклянныеблокиизготовляются путём прессования и последующей сварки двух стеклянных полукоробок; применяются для заполнения световых проёмов, главнымобразом в промышленных зданиях; обеспечивают хорошую осве­щённость рабочих мести обладают высокими тепло­изоляционнымисвойствами. Укладка блоков в проёмы производится на строительном растворе ввиде панелей, перевязанных металлическими переплё­тами.

Облицовочноестекло (марблит) пред­ставляетсобой непрозрачноецветное листовое стекло. Изготовляется путём периодической прокатки стекломассы на литейном столе с последующим от­жигом в туннельных печах. Применяетсядля от­делки фасадов и интерьеров жилых и общественных зданий. К облицовочномустеклу относится также цветное металлизированноестекло.

Стеклокварцевое— содержит не менее 99% SiO — (кварца). Кварцевое стекло выплав­ляютпри температуре более 1700° С из самых чистых разновидностей кристал­лическогокварца, горного хрусталя, жильного кварца или чистых кварцевых песков. Кварцевоестекло пропускает ультрафиолето­вые лучи, имеет очень высокую темпера­туруплавления, благодаря небольшому коэффициенту расширения выдерживает резкоеизменение температур, стойкое по отношению к воде и кислотам. Кварцевое стеклоприменяют для изготовления лаборатор­ной посуды, тиглей, оптических прибо­ров,изоляционных материалов, ртутных ламп («горное солнце»),применяемых в медицине и др.

 Стекло органическое (плекси­глас) — прозрачнаябесцветная пласти­ческая масса, образующаяся при полиме­ризации метиловогоэфира метакриловой кислоты.Лег­ко поддается механической обработке. Применяется как листовое стекло в авиа- и машиностроении, для изготовления бытовыхизделий, средств защиты в ла­бораториях и др.

Стеклорсстворимое— смесь си­ликатов натрия и калия (илитолько натрия), водные растворы которых назы­ваются жидким стеклом. Растворимоестекло применяют для изготовления кислотоупорных цемен­тов и бетонов, дляпропитки тканей, изго­товления огнезащитных красок, силикагеля,для укрепления слабых грунтов, канцелярского клея и др.

Стеклохимико-лабораторное— стекло,обладающее высокой хи­мической и термической стойкостью. Для повышения этихсвойств в состав стекла вводят оксиды цинка и бора.

Стекловолокно— искусственное волокно строго цилиндрической формы сгладкой поверхностью, получаемое вы­тягиванием или расчленением расплав­ленногостекла. Широко применяется в химической промышленности для фильтрации горячихкислых и щелочных растворов, очистки горячего воздуха и газов, изготовлениясальниковых наби­вок в кислотных насосах, армирования стеклопластиков и др.

Стеклодля оптических приборов изготовлялось уже в 18 веке,однако возникновения собственно производства оптического стекла относится к началу19 века, когда швейцарским учёным П. Гинаном был изобретён способ механического размешиваниястекломас­сы во время варки и охлаждения — круговым движе­нием глиняногостержня, вертикально погруженного в стекло. Этотприём, сохранившийся до настоящего времени,позволил получить стекло высокой степени однородности. Производство оптическогостекла получило дальней­шее развитие благодаря совместным работам немецкихучёных Э. Аббе и Ф. О. Шотта, в результате которых в 1886возник известныйстекольный завод товарище­ства Шотт в Иене (Германия), впервые выпустивший огромноемногообразие современных оптических стекол. До 1914 производство оптического стекласуществовало только в Англии, Франции и Германии. В России начало производстваоптического стекла относится к 1916. Оно достиглобольшого развития только после Великой Октябрь­ской социалистической революцииблагодаря рабо­там советских учёных Д. С. Рождественского,И. В. Гребенщикова, Г. Ю. Жуковского, Н. Н. Качалова и др.

Основное требование, предъявляемое коптическому стеклу— это высокая степень однородности. Отсутствие одно­родности вызываетотклонение лучей света от их правильного пути, что делает стекло негодным дляего прямого назначения. Однородность оптического стекла нару­шается причинами химическогои физического порядка. Хими­ческая неоднородностьобусловлена местными из­менениями химическогосостава и устраняется размешиванием оптическогостекла в процессе варки. Физическая неодно­родностьвызывается напряжениями, возникающими в процессе охлаждения оптического стекла, и устраняетсятщатель­ным отжигом. Оптическое стекло должно иметь определённые оптическиесвойства— точные величины показателей преломления для лучей различных длин волн. Боль­шой ассортиментоптического стекла с различными показателями преломления и средней дисперсиейимеет огромное значение при расчёте иконструировании оптических систем для снижения их дефектов, в частности дляуничтожения вредного влияния вторичного спектра и исправления качества изображения.

Оптическиесвойства стекла зависят от его химического состава. Разнообразным сочетаниемокислов удаётся получить стекло с требуемыми значениями оптических постоянных.Некоторые сорта оптическогостекла, например, не содер­жат кремнезёма (основного составляющего любого стекла), другиесодержат обычно применяемые окислители, но в чрезвычайно больших количествах. Прозрачность оптическогостекла должна быть высокой, порядка 90—97% на 100 мм пути луча в стекле.Оптическое стекло должно быть химически устойчивым по отношению к действиювлажной ат­мосферы и к действию слабых кислот, характери­зующему «пятнимость» их, т. е.чувствительность к прикосновению рук.

Для производства оптического стеклаприменяются такие же сырьевые материалы, как и длядругих типов стекол. Однако требования к чистотесырья весьма высоки. Особенно вредными примесямиявляются соединения железа и хрома, окрашивающие стекло и увеличивающие его светопоглощепие. Варка оптического стеклапроизводится в одно-, двухгоршковых печах. Важ­нейшаяоперация в производстве оптического стекла— размешиваниестекла в процессе варки и, особенно в процессе охлаждения. Для разделкиоптического стекла применяются три способа:

1)         охлаждение стеклавместе с горшком с последующей разбивкой на куски и формовкой этих кусков внагретом состоянии;

 2) отливка стекло­массы в железную форму;

 3) прокатка в лист отлитой на стол стекломассы. />

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

К оптическим стеклам можно отнести такжеи специально окра­шенные цветные стекла, применяемыедля изготов­ления точных светофильтров, которые в видеплоско-параллельных пластин часто применяются в оптических приборах и служатдля изменения спек­трального состава проходящегочерез них света. Эти цветные стекла изготовляютсяна заводах оптического стекла теми же приёмами, что и оптическое стекло.