Химический состав стекла ― Стекольная Компания

В зависимости от типа стекла, производственной партии и площадки на которой было изготовлено данное стекло, его химический состав может варьироваться в диапазоне следующих значений (на примере прозрачного листового стекла марки М1 ГОСТ 111-2014:

В стекловарении используют только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее количество загрязнений не превышает 2—3 %. Особенно нежелательно присутствие железа, которое даже в ничтожных количествах (десятые доли %) окрашивает стекло в зеленоватый цвет. Если к песку добавить соду Na₂CO₃, то удается сварить стекло при более низкой температуре (на 200—300°С). Такой расплав будет иметь менее вязкий (пузырьки легче удаляются при варке, а изделия легче формуются). Но! Такое стекло растворимо в воде, а изделия из него подвергаются разрушению под влиянием атмосферных воздействий. Для придания стеклу нерастворимости в воде в него вводят третий компонент — известь, известняк, мел. Все они характеризуются одной и той же химической формулой — СаСО₃
Стекло, исходными компонентами шихты которого является кварцевый песок, сода и известь, называют натрий-кальциевым. Оно составляет около 90 % получаемого в мире стекла. При варке карбонат натрия и карбонат кальция разлагаются в соответствии с уравнениями:

Na₂CO₃ = Na₂O + CO₂

СаСО₃ = СаО + СО₂
В результате в состав стекла входят оксиды SiO₂, Na₂O и СаО. Они образуют сложные соединения — силикаты, которые являются натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты.
В стекло вместо Na₂O с успехом можно вводить К₂О, а СаО может быть заменен MgO, PbO, ZnO, BaO. Часть кремнезема можно заменить на оксид бора или оксид фосфора (введением соединений борной или фосфорной кислот). В каждом стекле содержится немного глинозема Аl₂О₃, попадающего из стенок стекловаренного сосуда. Иногда его добавляют специально. Каждый из перечисленных оксидов обеспечивает стеклу специфические свойства. Поэтому, варьируя этими оксидами и их количеством, получают стекла с заданными свойствами. Например, оксид борной кислоты В₂О₃ приводит к понижению коэффициента теплового расширения стекла, а значит, делает его более устойчивым к резким температурным изменениям. Свинец сильно увеличивает показатель преломления стекла. Оксиды щелочных металлов увеличивают растворимость стекла в воде, поэтому для химической посуды используют стекло с малым их содержанием.

как производят, из чего его делают и как научились

Процесс производства стекла

Стеклянная посуда, окна в домах и многое другое – для нас сегодня это привычные предметы обстановки. Однако много веков назад стеклянные кубки стоили баснословно дорого, и их можно было встретить только на столах у наиболее богатых и знатных вельмож. Из чего же делают стекло, и как люди научились его изготавливать?

История изобретения стекла

Стекло было известно, по крайней мере, две тысячи лет назад. Древнеримский историк Плиний описал случай, в результате которого оно было изобретено. По его версии, однажды моряки, везшие на своем корабле соду, высадились заночевать на берегу, покрытом чистым золотым песком.

Они разожгли костер, чтобы приготовить ужин и согреться. Но один мешок из их груза прорвался, и сода высыпалась в костер. Ночью пошел дождь, смыл золу и головешки, и в результате моряки увидели на месте костра сияющую стеклянную поверхность.

Из каких компонентов делают стекло

Из каких компонентов делают стекло

Так ли на самом деле было изобретено стекло, или, как гласит другая версия, оно получилось в ходе экспериментов с обжигом глиняных горшков – но люди овладели секретом его приготовления довольно давно.

Для того, чтобы изготовить стекло, требуется три основных компонента.

Кварцевый песок – это чистый речной песок, состоящий из оксида кремния. Доля песка в смеси для варки стекла составляет около 75%. Он плавится при очень высокой температуре: его нужно нагревать до 1700 градусов Цельсия. От качества песка во многом зависит прозрачность и качество будущих стеклянных изделий. Венецианские стеклодувы, изготавливавшие наиболее знаменитое в средневековой Европе муранское стекло, специально привозили песок из провинции Истрия, а для богемского стекла мастера измельчали в мелкий песок куски кварца.

Сода (или поташ) необходима для того, чтобы расплавить песок при более низкой температуре. Добавив в песок соду в нужной пропорции, температуру нагрева стеклянной смеси снижают практически вдвое.

В процессе нагрева сода разлагается до оксида натрия или калия, который и служит катализатором плавления. В древности ее получали путем выщелачивания золы после сжигания водорослей или хвойных пород дерева. Доля соды в смеси для стекла составляет около 16-17%.

Известь, или окись кальция, делает стекло нерастворимым большинством химических веществ, крепким и блестящим. Впервые добавлять ее в стекло начали богемские стеклодувы в семнадцатом столетии, применяя для этого известняк или мел.

Кроме того, сегодня в массу для приготовления стекла добавляют сульфат натрия, таламит и нефелиновый сиенит. Для получения разноцветного стекла в качестве добавок используют окиси различных металлов: меди, железа, серебра и т.д.

Этапы производства листового стекла

Все ингредиенты, из которых производится стекло, загружают в печь и нагревают до образования жидкой однородной массы.

Расплавленную массу загружают в гомогенизатор и перемешивают до полной однородности.

Стеклянную массу выливают в длинную емкость, где находится расплавленное олово. На его поверхности стекло разливается ровным слоем одинаковой толщины, постепенно остывая.

Застывшая стеклянная лента поступает на конвейер, где производится контроль толщины и нарезка на стандартные куски стекла. Обрезанные неровные края, а также брак, не прошедший контроль качества, поступает на переплавку.

Готовое листовое стекло проходит последнюю проверку качества и отправляется на склад готовой продукции.

Аналогичным образом изготавливается стекло для производства посуды, измерительных приборов, елочных игрушек и другой продукции. Состав стекла может изменяться в зависимости от свойств, которые оно должно иметь.

Как производят стекло

Кроме того, для повышения прочности оно может подвергаться процедуре закаливания. В результате стекло приобретает способность выдерживать сильные удары по поверхности.

Популярны сегодня дуплексные и триплексные стекла, склеенные специальными составами из двух или трех слоев тонкого стекла. Однако основу каждого из них составляют золотой кварцевый песок, питьевая сода и обычная известь.

Как делают стекло | Из чего сделано стекло?

Как делают стекло | Из чего сделано стекло? | Корнинг

• Инновация
• Материаловедение
• Стекло
• Как делают стекло

Как делают стекло

Как делают стекло

Из чего сделано стекло? Все чудеса стекла сводятся к плавящемуся песку.

Стекло

сегодня стало настолько распространенным явлением, что легко смотреть сквозь него, не задумываясь. Он в наших окнах, на наших экранах, в наших шкафах и во многих устройствах, с которыми мы взаимодействуем каждый день. Несмотря на то, что стекло можно найти повсюду, вы можете прожить всю свою жизнь, мало зная о том, как оно сделано и из чего состоит. Даже если вы думаете, что знаете основы, вы только поверхностно ознакомились.

На высоком уровне стекло — это песок, который был расплавлен и химически преобразован. Если вы когда-нибудь были на пляже, то точно знаете, каким может быть горячий песок, оставаясь в своей твердой форме. Тепло, необходимое для превращения песка в жидкое состояние (в конечном итоге превращающееся в стекло), намного жарче, чем в любой солнечный день. Чтобы заставить песок расплавиться, вам нужно нагреть его примерно до 1700°C (3090°F), что примерно соответствует температуре, которой достигает космический шаттл, когда он снова входит в атмосферу Земли.

Песок, обычно используемый для изготовления стекла, состоит из мелких зерен кристаллов кварца, состоящих из молекул диоксида кремния, также известного как кремнезем. Когда эти молекулы нагреваются до достаточно высоких температур, песок плавится и теряет свою кристаллическую структуру, а при охлаждении приобретает совершенно другую структуру. Эта структура на молекулярном уровне находится где-то между жидкостью и твердым телом. Это промежуточное состояние известно как аморфное твердое тело, что означает, что оно имеет некоторую кристаллическую структуру твердого тела в сочетании с молекулярной неупорядоченностью жидкости.

В зависимости от песчаной смеси стекло может иметь различные свойства. Например, определенные элементы или химические вещества, смешанные с песком, могут изменить цвет стекла. Свойства стекла также могут меняться в зависимости от того, как оно изготовлено, и процессов, в которых оно впоследствии формируется. Чтобы укрепить стекло, производители могут использовать термическую закалку для его быстрого нагрева и охлаждения. Стекло также можно укрепить химически с помощью процесса ионного обмена, который делает поверхность стекла более прочной.

Стекло, с которым знакомо большинство людей, — это известково-натриевое стекло, которое представляет собой комбинацию соды (также известной как кальцинированная сода или сода для стирки), известняка и песка. Хотя вы можете производить стекло, просто нагревая, а затем быстро охлаждая кремнезем, производство натриево-известкового стекла немного сложнее. При добавлении соды (карбоната натрия) температура плавления песка снижается, поэтому он может превращаться в стекло при более низких температурах и экономить энергию при производстве. Однако добавление соды в смесь снижает ее химическую стойкость, делая ее склонной к растворению при контакте с жидкостями. Для большинства применений это нежелательно, поэтому в смесь также добавляют известняк (карбонат кальция), который действует как стабилизатор. После того, как смесь кремнезема, соды и известняка нагрета, ее можно охладить и отлить в форму для различных применений.

Компания Corning знает толк в стекле. Мы знаем, как укрепить его с помощью химических процессов, таких как ионный обмен, и мы знаем, как согнуть его, чтобы сделать оптическое волокно, способное растягиваться на огромные расстояния. Наши знания о стекле насчитывают более века, что позволяет нам оставаться в авангарде исследований и разработок. От простой натронной извести до сложных стеклянных структур, обеспечивающих дополненную реальность, стекло — это адаптируемый, широкий спектр материалов. Вот почему спустя более 165 лет мы все еще делаем новые открытия.

Празднование Периодической таблицы

Компания Corning отмечает 150-летие Периодической таблицы, освещая несколько элементов, жизненно важных для нашей работы, а также некоторые сентиментальные фавориты наших ученых.

Подробнее

История компании Corning в области упрочнения стекла

Компания Corning работала над повышением прочности стекла за несколько десятилетий до появления Corning® Gorilla® Glass.

Подробнее

Стекло: лучший инструмент в материаловедении Toolbelt

Материаловеды каждый день работают над тем, чтобы расширить наше понимание того, на что способно стекло.

Подробнее

Стекло | Определение, состав, материал, типы и факты

стеклянный бокал; алмазная гравировка

Посмотреть все материалы

Ключевые сотрудники:

Михаил Ломоносов

Связанные темы:

прессованное стекло
коронное стекло
бесцветное стекло
стекловолокно
эмалирование фарфора

Просмотреть весь связанный контент →

Популярные вопросы

Что такое стекло?

Стекло представляет собой твердый неорганический материал, обычно прозрачный или полупрозрачный, а также твердый, хрупкий и непроницаемый для природных элементов.

Из чего сделано стекло?

Коммерческое стекло обычно изготавливается из песка, известняка и карбоната натрия, температура которых нагревается до расплавления. Затем его быстро охлаждают, чтобы предотвратить образование видимых кристаллов.

Почему стекло разбивается?

Стекло разбивается из-за примесей, вызванных влагой или пылью в воздухе во время производства стекла. Эти примеси вызывают микроскопические трещины и напряжение в стекле, которое поддается при приложении слишком большого давления.

Стекло разлагается?

Стекло разлагается очень медленно. Разложение стеклянной бутылки может занять более миллиона лет. Однако стекло можно бесконечно перерабатывать. Это означает, что его всегда можно переплавить и превратить в новые стеклянные изделия.

Сводка

Прочтите краткий обзор этой темы

стекло , неорганический твердый материал, обычно прозрачный или полупрозрачный, а также твердый, хрупкий и непроницаемый для природных элементов. Стекло использовалось в качестве практических и декоративных предметов с древних времен, и оно по-прежнему очень важно в таких разрозненных областях, как строительство зданий, посуда и телекоммуникации. Он производится путем охлаждения расплавленных ингредиентов, таких как кварцевый песок, с достаточной скоростью, чтобы предотвратить образование видимых кристаллов.

Ниже приводится краткая обработка стекла. Стекло подробно рассматривается в ряде статей. Витражи и эстетические аспекты дизайна стекла описаны в витражах и изделиях из стекла. Состав, свойства и промышленное производство стекла рассматриваются в промышленном стекле. Физические и атомные характеристики стекла рассматриваются в аморфном твердом теле.

Викторина «Британника»

Строительные блоки предметов повседневного обихода

Посмотрите, как супергидрофобная многофункциональная стеклянная поверхность противостоит запотеванию, бликам и самоочищается

Посмотреть все видео к этой статье

Разновидности стекла сильно различаются по химическому составу и физическим свойствам. Однако большинство сортов имеют определенные общие черты. Они проходят вязкую стадию при охлаждении из состояния текучести; они проявляют цветовые эффекты, когда стеклянные смеси сплавляются с некоторыми оксидами металлов; в холодном состоянии они плохо проводят как электричество, так и тепло; большинство типов легко ломаются от удара или сотрясения и имеют раковистый излом; на них лишь незначительно воздействуют обычные растворители, но они легко разъедаются плавиковой кислотой.

Товарный состав стекла

Проверить, может ли холодное стекло течь

Посмотреть все видео к этой статье

Товарное стекло можно разделить на натриево-известково-кремнеземное стекло и специальное стекло, большая часть производимого тоннажа относится к первому классу. Такие стекла изготавливаются из трех основных материалов: песка (диоксид кремния, или SiO ₂ ), известняка (карбонат кальция, или CaCO ₃ ) и карбоната натрия (Na ₂ CO ₃ ). Плавленый кварц сам по себе является превосходным стеклом, но, поскольку температура плавления песка (кристаллического кремнезема) выше 1700 °C (3,092 °F), и поскольку достижение таких высоких температур обходится очень дорого, его применение ограничено теми, в которых его превосходные свойства — химическая инертность и способность выдерживать внезапные изменения температуры — настолько важны, что стоимость оправдана. Тем не менее производство плавленого кварцевого стекла — достаточно крупная отрасль; он производится разного качества, и, когда он предназначен для оптических целей, в качестве сырья используется горный хрусталь, а не кварцевый песок.

Для снижения температуры плавления кремнезема необходимо добавить флюс; это цель карбоната натрия (кальцинированной соды), который делает доступным флюсующий агент оксид натрия. При добавлении около 25 процентов оксида натрия к кремнезему температура плавления снижается с 1723 до 850 ° C (от 3133 до 1562 ° F). Но такие стекла легко растворяются в воде (их растворы называются жидкими стеклами). Добавление извести (оксида кальция, или СаО), поставляемой известняком, снова делает стекло нерастворимым, но слишком большое количество делает стекло склонным к расстекловыванию, т. е. к осаждению кристаллических фаз в определенных диапазонах температур. Оптимальный состав составляет около 75 процентов кремнезема, 10 процентов извести и 15 процентов соды, но даже он слишком подвержен расстекловыванию во время определенных операций механической формовки, чтобы быть удовлетворительным.

При изготовлении листового стекла обычно используют 6 процентов извести и 4 процента магнезии (оксид магния или MgO), а в бутылочном стекле около 2 процентов глинозема (оксид алюминия или Al ₂ O ₃ ) часто присутствует. Также добавляются другие материалы, некоторые добавляются для улучшения качества стекла (т. Е. Для удаления пузырьков, оставшихся в процессе плавления), а другие добавляются для улучшения его цвета. Например, песок всегда содержит в качестве примеси железо, и, хотя материал, из которого делают бутылки, специально выбирают из-за низкого содержания железа, небольшие следы примеси все же придают таре нежелательный зеленый цвет; с помощью оксида селена и кобальта вместе со следами триоксида мышьяка и нитрата натрия можно нейтрализовать зеленый цвет и получить так называемое белое (обесцвеченное) стекло.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подписаться сейчас

Оптическое и высокотемпературное стекло

Стекла самого разного и зачастую гораздо более дорогого состава изготавливаются, когда необходимы особые физические и химические свойства. Например, в оптических очках требуется широкий диапазон составов для получения различных показателей преломления и дисперсии, необходимых, если разработчик линз должен производить многокомпонентные линзы, свободные от различных дефектов, присущих одной линзе, таких как хроматическая аберрация. . Сверхпрозрачные оксидные стекла высокой чистоты были разработаны для использования в волоконно-оптических системах связи, в которых сообщения передаются в виде световых импульсов по стеклянным волокнам.

Когда обычное стекло подвергается резкому изменению температуры, в нем возникают напряжения, делающие его склонным к разрушению; однако, уменьшив его коэффициент теплового расширения, можно сделать его гораздо менее восприимчивым к тепловому удару. Стекло с самым низким коэффициентом расширения – плавленый кварц. Другим хорошо известным примером является боросиликатное стекло, используемое для изготовления бытовой посуды, коэффициент расширения которого составляет всего одну треть от типичного натриево-известково-кремнеземного стекла. Чтобы осуществить это восстановление, большая часть оксида натрия, добавляемого в качестве флюса, заменяется оксидом бора (B ₂ O ₃ ) и часть извести глиноземом. Еще одно известное специальное стекло — это свинцовый хрусталь, используемый в производстве превосходной посуды; при использовании монооксида свинца (PbO) в качестве флюса можно получить стекло с высоким показателем преломления и, следовательно, с желаемым блеском и блеском.

Придание цвета и специальных свойств

Вещества, используемые для окрашивания стекла, обычно представляют собой оксиды металлов. Один и тот же оксид может давать разные цвета с разными смесями стекла, а разные оксиды одного и того же металла могут давать разные цвета. Пурпурно-голубой цвет кобальта, хромовый зеленый или желтый цвет хрома, дихроичный канареечный цвет урана и фиолетовый цвет марганца постоянны. Оксид железа дает оливково-зеленый или бледно-голубой цвет в зависимости от стекла, с которым он смешивается. Оксид железа дает желтый цвет, но для предотвращения восстановления до состояния железа требуется окислитель. Свинец дает бледно-желтый цвет. Оксид серебра дает стойкое желтое пятно. Мелкоизмельченный растительный уголь, добавленный в содово-известковое стекло, дает желтый цвет. Селениты и селенаты дают бледно-розовую или розовато-желтую окраску. Теллур дает бледно-розовый оттенок. Никель с калийно-свинцовым стеклом дает фиолетовую окраску, а с натриево-известковым — коричневый. Медь дает павлиний синий цвет, который становится зеленым, если увеличить долю оксида меди.

Важным классом материалов являются халькогенидные стекла, представляющие собой селениды, содержащие таллий, мышьяк, теллур и сурьму в различных соотношениях. Они ведут себя как аморфные полупроводники. Их фотопроводящие свойства также ценны.

Некоторые металлические стекла обладают магнитными свойствами; их характеристики простоты изготовления, магнитной мягкости и высокого удельного электрического сопротивления делают их полезными в магнитных сердечниках силовых трансформаторов.

Стеклоделие на протяжении веков

На протяжении веков из стекла изготавливали множество различных полезных и декоративных изделий. История стекла как творческого искусства частично определяется техническими достижениями в его изготовлении и декорировании, а частично – историей вкуса и моды.

Стекло было впервые изготовлено в древнем мире, но его раннее происхождение неясно. Египетские стеклянные бусины — самые ранние известные стеклянные предметы, датируемые примерно 2500 годом до нашей эры. Позже в египетской цивилизации был изготовлен тип стекла, характеризующийся перистыми или зигзагообразными узорами цветных нитей на поверхности стеклянного сосуда.

Настоящее стекло зародилось в Александрии в эпоху Птолемеев, а затем в Древнем Риме. Александрийские мастера усовершенствовали технику, известную как мозаика из стекла, в которой кусочки стеклянной палочки разных цветов разрезались поперек, чтобы получились разные декоративные узоры. Стекло Millefiori, для которого трости обрезаются таким образом, чтобы получился рисунок, напоминающий форму цветка, является разновидностью мозаичного стекла.

Формованное стекло также было разработано рано, когда стекло прессуется в форму для придания ему определенной формы. Возможны также различные виды декора с использованием гравировки и цвета.

Стеклодувное дело, вероятно, было развито в I веке до н. э. стеклодувами в Сирии. С помощью этой техники возможности придания стеклу желаемой формы были безграничны. Стекло можно было выдувать в форму или придавать ему совершенно свободную форму. Римляне усовершенствовали стекло-камею, в котором рисунок был получен путем срезания слоя стекла, чтобы рисунок оставался рельефным.

научное стеклодувное дело

Посмотреть все видео к этой статье

Следующее важное событие в истории стекла произошло в 15 веке в Венеции. Еще в 13 веке венецианский остров Мурано стал центром стеклоделия. Сначала венецианские стеклодувы использовали многие древние и средневековые декоративные приемы для производства богато окрашенных и орнаментальных изделий с мотивами, характерными для итальянского Возрождения.

Позже они разработали прозрачное стекло, похожее на хрусталь, под названием cristallo , которое стало основой для процветающей экспортной торговли и распространилось по всей Европе. Простые дутые стекла этого типа пользовались большим спросом в 16 веке. Такое стекло поддавалось украшению гравировкой изящных узоров; использовавшаяся с начала 16 века, эта техника оставалась популярной и в 18 веке по всей Европе. Алмазная гравировка практиковалась, в частности, в Нидерландах и Германии.

В конце 17 века Богемия стала важным регионом производства стекла и оставалась важной до начала 20 века. К XVII веку в Англии производили стекло по венецианской традиции, отличавшейся простотой. Около 1675 года стеклодув Джордж Равенскрофт обнаружил, что добавление оксида свинца в стекло венецианского типа дает твердое и более тяжелое стекло. Свинцовый хрусталь, как он был известен, впоследствии стал излюбленным видом стекла для изысканной посуды.

Эмалирование вошло в моду в середине 18-го века в Англии, что привело к развитию типа стекла, иногда называемого бристольским стеклом. В 18 веке в моду вошла резка стекла. По мере совершенствования этой техники стало возможным огромное разнообразие эффектов. В конце концов, к концу 18 века, когда эта техника получила дальнейшее развитие в Ирландии, вся поверхность стекла была глубоко прорезана, чтобы отражать свет. Этот свинцовый хрусталь английской и ирландской огранки копировали в Европе и Соединенных Штатах, и он остается популярным и по сей день.