Свойства стекла

Свойства стекла

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шухтин Ю.Д. 1

1МОУ «Средняя общеобразовательная школа №1» города Котласа, 6 класc

Кривошапкина В.В. 1

1МОУ «Средняя общеобразовательная школа №1» города Котласа,

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Научно-исследовательская
работа

Химия

СВОЙСТВА
СТЕКЛА

Выполнил:

Шухтин
Юрий Дмитриевич

учащийся
6 класса

МОУ
«Средней

общеобразовательной

школы
№ 1» МО «Котлас»,

Архангельской
области

Руководитель:

Кривошапкина

Валентина
Владимировна

учитель
МОУ «Средней

общеобразовательной

школы
№ 1» МО «Котлас»,

Архангельской
области

Содержание

Введение…………………………………………………………………. 3

Теоретическая
часть……………………………………………..3

Распространение
в природе……………………………………..3

История
стекла……………………………………………………4

Физические
свойства…………………………………………….5

Состав
стекла……………………………………………….……..6

Основные
виды стекла и их применение
……………….…..….6

Практическая
часть………………………………………… ..…7

Изучение
школьной коллекции «Стекло»………………….…..7

Растворение
стекла
……………………………………….….…..7

Плавление
стекла ……………………………………………..….8

Получение
цветных стекол…………………………………..…..8

Матирование
стекла……………………………………………….8

Выводы……………………………….…………………………….8

Заключение……………………………………………………………….9

Литература…………………………………………. .…….……………..10

Приложения………………………………………………………………11

Введение

Стекло —
вещество и материал, один из самых
древних и, благодаря разнообразию своих
свойств, универсальный в практике
человека.
Стекло является самым широко
применяемым материалом в быту,
строительстве, на транспорте
благодаря своим уникальным
качествам: прозрачности, твердости,
химической устойчивости к активным
химическим реагентам,
относительной дешевизне производства.
Без него невозможно изготовить
оптические приборы, телевизоры,
космические корабли и др. Для
своей работы я выбрал именно эту тему,
так как считаю, что история возникновения
и познания этого вещества тесно связана
с историей человечества. Кроме того,
эта тема меня заинтересовала, и я хотел
бы как можно шире раскрыть ее.

Цель
работы: доказать,
что стекло – это уникальный материал,
обладающий удивительными свойствами.

Для
достижения заданной цели были поставлены
следующие задачи:

1.
Узнать историю открытия стекла

2.
Изучить технологию изготовления стекла

3.
Изучить состав стекла

4.
Познакомиться с различными видами
стекла

5.
На основе полученных теоретических
знаний выполнить практическую работу
по изучению свойств стекла

Гипотеза:
Стекло
– материал, обладающий необычными
свойствами.

При
подготовке исследования я пользовался
материалами:

Научных
и публицистических изданий;

Периодических
изданий;

Данными,
опубликованными в сети Интернет.

3

Теоретическая
часть

1.1
Распространение в природе

Как
известно, стекло, используемое нами в
повседневной жизни, – материал
искусственный. Древние
люди могли держать в руках стекло, даже
не имея представления о его приготовлении,
поскольку наряду с искусственным
существует и природное (вулканическое)
стекло – перлит, обсидиан. Из такого
природного стекла делали режущий

инструмент
и украшения. Обсидиан
представляет собой застывшую вулканическую
лаву или оплавленную скальную породу.
Именно обсидиан использовался первобытными
людьми для изготовления различных
режущих инструментов, а также украшений.(1)

1.2
История стекла

История
стекла уходит в глубокую древность.
Известно, что в Египте и Месопотамии
его умели делать уже 6000 лет назад.
Вероятно, стекло начали изготавливать
все же позже, чем первые керамические
изделия, так как для его производства
требовались более высокие температуры,
чем для обжига глины. Если для простейших
керамических изделий было достаточно
только глины, то в состав стекла необходимо
минимум три компонента.

Существует
легенда, что первыми изобрели стекло
финикийцы. Возвращаясь с дальнего
плавания, они решили остановиться на
близлежащем острове. Развели костёр
для того, чтобы приготовить еду. А так
как камней не было, они поставили под
котёл глыбы соды. Через некоторое время
финикийцы заметили, что ракушки, сода
и песок превратились в какую-то жидкость.
Это и было стекло. Но у этой легенды
существует опровержение: учёные доказали,
что при открытом огне нельзя добиться
температуры плавления компонентов.

Изделия
из стекла так же, как и из керамики,
практически не подвергаются атмосферным
воздействиям и хорошо сохраняются даже
под слоем земли. Эти изделия оказались
важнейшими документами далекого
прошлого. Они донесли до нас бесценную
информацию об уровне культуры и

4

техники
древних народов. Благодаря стеклу до
нашего времени дошли величайшие
художественные произведения различных
эпох культуры человечества.

Несмотря
на то что возраст стеклоделия оценивается
в 6 тыс. лет, прозрачное и бесцветное
стекло люди научились варить лишь на
пороге новой эры. До этого производилось
непрозрачное окрашенное в различные
тона стекло и из него изготавливались
главным образом мелкие изделия: бусы,
браслеты, пуговицы, кольца, печатки,
шахматные фигуры и др. Стеклодувы
античной эпохи начали широко применять
холодную обработку стекла: рельефную
резьбу, гравировку, шлифовку. Как только
было получено прозрачное стекло,
стеклоделы стали стремиться изготовить
из него оконные пластины. Ученые
предполагают, что оконное стекло вначале
было цветным. Это объясняется тем, что
бесцветное стекло получить было весьма
непросто, так как сырье обычно содержит
различные примеси, которые придают
стеклу окраску. Особенно часто в

сырье
присутствуют соединения железа. Получение
пластин для остекления окон оказалось
весьма непростым делом. Изготовление
полых изделий довольно сложной формы
путем выдувания для человека было более
простой задачей, чем получение листового
стекла. Эта задача была решена лишь к
концу средневековья. При раскопках
Помпеи, погребенной под пеплом вулкана
Везувия в 79 г. н.э., было установлено,
что в очень редких случаях в окна были
вставлены пластины стекла, которые были
довольно толстыми. По-видимому, тонкое
листовое стекло итальянские стеклоделы
еще не научились делать.

Считают,
что метод выдувания так же, как и способ
варки прозрачного стекла, был открыт в
период смены летоисчисления. Поводов
для его открытия было предостаточно.
Для получения высоких температур в
металлургии был уже известен способ
дутья. При варке стекла, требующей также
высоких температур, дутье, в частности,
проводилось при помощи легких человека.
Для

5

этого
использовались длинные и полые
тростниковые трубки, конец которых
обмазывался глиной. Последнее было
необходимо для того, чтобы трубка не
загоралась. Таким образом, для открытия
метода выдувания стеклянных изделий
были созданы все предпосылки. Нужен был
только случай, когда конец трубки
прикоснется к жидкой стекольной массе.
Если это произошло, то, продолжая дуть
в трубку, человек должен получить что-то
похожее на пузырь. Следующим шагом было
помещение выдуваемого «пузыря» в
деревянную форму, и полое стеклянное
изделие почти готово.

Вероятно,
метод выдувания изделий из стекла был
изобретен в различных местах, где
культивировалось стеклоделие, примерно
в одно и то же время. Однако принято
считать, что способ выдувания был
изобретен в Александрии в I в. до н.э.

Первый
стекольный завод в России был построен
в 1636 г. близ г. Воскресенска под
Москвой. На нем выдували оконное стекло
и стеклянную посуду. Через 30 лет в
селе Измайлово, также под Москвой, был
построен завод, на котором изготовляли
высококачественные стаканы, графины,
фляги, рюмки, кувшины и др. Особенно
быстро стеклоделие развилось при
Петре I. В XVIII в. около Москвы
действовало уже шесть стекольных
заводов.

Физические
свойства

Как
и любой другой материал, стекло обладает
рядом качеств, которые необходимо знать,
прежде чем использовать его в той или
иной области.

Плотность.
Может варьироваться в зависимости от
состава смеси и способа изготовления.
Значение плотности стекла может
колебаться от 220 до 650 кг/м³.

Хрупкость.
Эта характеристика является отличительной
особенностью стекла и ограничивает
его применение в строительной области.
В настоящее время учеными создаются
более сложные сплавы, максимально
увеличивающие прочность материала.

Термостойкость.
Обычное стекло выдерживает температуру
до 90 ^оС.

6

После
обработки термические свойства материала
значительно повышаются. Например,
промышленное стекло способно выдерживать
температуру более 200 ^оС.(2)

1.4
Состав стекла

Стандартный
состав стекла представляет собой смесь
чистого кварцевого
песка,
извести
и соды. Для изменения свойств материала
могут использоваться различные добавки.
Но все-таки основным составляющим
компонентом является именно чистый
речной песок. Его количество составляет
примерно 75% от всей смеси. Сода позволяет
снизить температуру
плавления
песка почти в 2 раза. Известь защищает
стекло от воздействия большинства
химических веществ, а также добавляет
прочности и блеска.

Дополнительные
примеси:

Марганец
(Mn)
добавляют в стекло для получения
специфического зеленого оттенка. Для
получения других цветов может
использоваться никель или хром.

Свинец
(Pb)
придает стеклу дополнительный блеск
и характерный звон. Материал получается
более холодным на ощупь. Стекло с
примесью свинца называется хрусталь.

Оксид
бора тоже придает материалу дополнительный
блеск и прозрачность, при этом понижая
коэффициент теплового расширения
изделий.(3)

1.5
Основные виды стекла и их применение

Существует
множество видов стекол, которые охватывают
весь спектр применения их в народном
хозяйстве.

Закаленное
стекло, обладающее повышенной
термостойкостью, получают путем нагрева
стекла до температуры закалки (540-650˚ С)
и последующего быстрого охлаждения.
Термостойкость – до 175˚С. применяется
в строительстве (двери, перегородки,
ограждения), для остекления городского
транспорта.

7

Термостойкое
(борсиликатное) стекло содержит окись
рубидия, окись лития и др. Термостойкие
стекла имеют коэффициент линейного
расширения в 2-3 раза меньше, чем обычное
стекло. Изделия из таких стекол выдерживают
перепады температур до 200˚С.

Их
используют для изготовления термостойких
деталей аппаратуры.

Теплозащитное
стекло задерживает
70-75% инфракрасных лучей, оставаясь при
этом прозрачным для видимого света.

Отражающее
стекло используют для уменьшения нагрева
солнечными лучами и регулирования
освещенности. Эти свойства достигаются
путем покрытия, наносимого на стекло в
вакуумной камере и образующего с ним
единое целое.

Триплекс
– безопасное безосколочное стекло с
повышенной тепло- и шумоизоляцией. Оно
состоит из пакета, образованного из 2-х
или более листов стекла, между которыми
проложена прозрачная пластичная пленка,
прочно соединенная со стеклом склеивающим
составом.

Жидкое
стекло – водный раствор силиката натрия
Na₂SiO₃.
Этим стеклом пропитываются ткани и
дерево для придания им огнестойкости;
оно применяется для изготовления
кислотоупорного цемента, силикатных
красок и глазурей, а также в качестве

конторского
клея.

Есть
еще много других видов стекол, таких
как: оконное, фотохромное, витражное,
хрустальное, кварцевое, пеностекло,
стекловолокно, стеклопластики. (2)

2.Практическая
часть

2.1
Изучение школьной коллекции «Стекло»

В
школьной лаборатории есть учебная
коллекция «Стекло», в которой представлены
различные виды этого материала, некоторые
из которых были охарактеризованы выше.
В коллекции 12 разновидностей стекла.
Оказывается, есть такие виды стекла,
которые не обладают прозрачностью,
пористые

8

(пеностекло),
похожие на пластмассу (стеклопластики),
в виде волокон (стекловолокно). Для меня
оказалось интересным, что из стекловолокна
можно изготавливать стеклоткани.
(Приложение 1)

2.2
Растворение стекла.

Казалось
бы, стекло – это нерастворимое в воде
вещество. Ведь в стеклянные банки,
бутылки можно не только наливать воду
и различные растворы, но и хранить в
них. Однако, и стекло можно растворить.

Для
опыта мы использовали два вида стекла
– оконное и пробирковое. Оба образца
сломали и растерли в ступке до
порошкообразного состояния. К растертому
стеклу добавили воды и взболтали. Чтобы
стекло быстрее растворилось, пробирки
нагрели. Один из компонентов, используемых
для получения стекла – сода, имеет
щелочную реакцию среды. Для определения
среды используют индикаторы – вещества,
изменяющие цвет в растворах кислот и
щелочей. Мы воспользовались фенолфталеином.

Результат.
Раствор стал розовым. Это значит, что
стекло растворилось, а сода, входящая
в его состав дала щелочную реакцию.
(Приложение 2)

2.3
Плавление стекла

Стеклянную
трубку нагрели в пламени спиртовки.

Результат.
Через некоторое время стекло размягчается.
Мягкому стеклу можно придать различные
формы. У меня получились изогнутые
трубки. (Приложение 3)

Получение
цветных стекол

Размягчили
стеклянную трубку в пламени спиртовки
и аккуратно растянули так,

чтобы
получилась стеклянная нить. Растягивали
до разрыва нити. Одну часть опустили в
раствор хлорида кобальта розового
цвета, другую в раствор сульфата меди.
Затем снова внесли в пламя спиртовки.(6)

Результат.
В пламени спиртовки нить сплавилась в
шарик. В первом

9

случае
шарик светло-голубого, во втором –
светло-розового цвета. Чем длиннее
получается нить, тем крупнее шарик. У
меня получились шарики в диаметре
примерно 1,5 мм. Интересно, что при
использовании розового раствора,
получается голубое стекло, а при
использовании голубого раствора –
розовое. (Приложение4)

Матирование
стекла.

Стекло
неактивное вещество, но может растворяться
в плавиковой кислоте. В
школьном химическом кабинете плавиковая
кислота, как правило, отсутствует, однако
ее можно получить в процессе нанесения
рисунка.

Перед
обработкой поверхность обезжиривают
и сушат. Для работы готовят эмульсию,
которая состоит из 1 г фтористого натрия,
1 г желатина и 200 мл горячей воды.

Стекло
заклеили скотчем, с помощью скальпеля
вырезали в скотче фигуру в виде звездочки.
Стекло покрыли полученной эмульсией.
После высыхания эмульсии на обрабатываемое
стекло на 50-60 секунд наливают 5%-ный
раствор соляной кислоты. Затем излишки
реактива удаляют, а впитавшаяся в желатин
кислота протравливает стекло. (7)

Результат.
После промывания стекла в проточной
воде и удаления скотча на стекле осталась
звезда. (Приложение 5)

Выводы

—
не смотря на свою «обычность» стекло
обладает особенными свойствами;

—
изучив свойства стекла и приложив
некоторые старания, можно в школьной
лаборатории изменить обычное стекло,
поменяв форму, цвет и нанести рисунок

Заключение

Стекло,
по праву, считается одним из самых
удивительных материалов. Человек уже
много веков назад научился изготавливать
из него не только посуду, но и ювелирные
украшения, правда в настоящее время все
больше

10

используются
пластики. Прошло много веков, но и в
настоящее время стекло популярно в
различных сферах деятельности человека:
медицине, технике, науке, культуре, быту.

Моя
гипотеза подтвердилась, цель работы
достигнута. Я доказал, что стекло – это
вещество с удивительными свойствам.
Каждый из нас использует стекло с раннего
детства, смотря на мир через окно, выпивая
воду из стакана, украшая себя стеклянными
бусами. И, наверное, по этой причине мы
не замечаем необычного в обычных вещах.

11

Литература.

Кукушкин
Ю. Н. Химия вокруг нас: Справочное
пособие. – М.: Высшая школа, 2010.

Лисичкин
Г. В., Бетанели В. И. Химики изобретают.
– М.: Просвещение, 2012.

Стенин
Б. Д. Занимательные задания и эффектные
опыты по химии. – М. Дрофа, 2002.

Химия
для гуманитариев. Сост. Н. В. Ширшина. –
Волгоград: Учитель, 2010

Интернет-ресурсы:

http://chem21.info/info/682090/

http://www.mywebs.su/blog/riddles/23629.html

http://mash-xxl.info/article/242071/

12

Приложения

Коллекция
«Стекло»

2.Растворение
стекла

3.Плавление
стекла

13

Получение
цветных стекол

Матирование
стекол

14

Просмотров работы: 2012

Производство стекла — презентация онлайн

Похожие презентации:

Сложные эфиры. Жиры

Физические, химические свойства предельных и непредельных карбоновых кислот, получение

Газовая хроматография

Хроматографические методы анализа

Искусственные алмазы

Титриметрические методы анализа

Биохимия гормонов

Антисептики и дезинфицирующие средства. (Лекция 6)

Клиническая фармакология антибактериальных препаратов

Биохимия соединительной ткани

Производство
стекла
{
Презентация по химии
Вещество и материал, один из самых
древних и, благодаря разнообразию своих
свойств, — универсальный в практике
человека. Температура варки стёкол, от 300
до 2500 °C, определяется компонентами
этих стеклообразующих
расплавов. Прозрачность не является общим
свойством для всех видов существующих как
в природе, так и в практике стёкол.
Стекло
Изготовление стекла происходит на основе флоатпроцесса: расплавленная стекломасса непрерывно
подается из ванной печи на расплав олова. Находясь на
нем, стекло формируется по толщине и ширине. Затем
стекло поступает в печь отжига, где оно проходит процесс
охлаждения. После отжига лента стекла разрезается по
размерам для дальнейшей отгрузки. Сам процесс
изготовления стекла — непрерывный.
Благодаря использованию в составах различных
химических соединений, стекла обладают различными
свойствами, что позволяет создавать оптические эффекты
(игра света в едва заметных гранях, создания эффекта
оплывшего от времени стекла). Стекло бывает как
бесцветным, так и цветным, а также матированным.
Толщина стекла обычно находится в пределах от 4 до 6мм.
Изготовление
Сырьём для производства служат чистый
кварцевый песок, сода и известняк. Эти
вещества тщательно перемешивают и
подвергают сильному нагреванию(1500С)
Сырьё
Выделяют пять функций стекла, согласно
которым и классифицируют виды стекол.
Это:
теплоизоляция в зимнее время
защита комнаты от перегрева в летнее время
звукоизоляция
обеспечение безопасности
эстетическая функция
Функции стекла
Кварцевое
Боратное
Силикатное
Органическое
Элементарное
Оксидное
Растворимое
Виды стекла
Кварцевое стекло получают плавлением
кремнезёмистого сырья высокой чистоты
(обычно кварцит, горный хрусталь), его
химическая формула — SiO2. Кварцевое
стекло может быть также природного
происхождения, образующееся при
попадании молнии в залежи кварцевого
песка. Оптическое стекло — применяют для
изготовления линз, призм, кювет и др.
Кварцевое стекло
Стеклообразный борный ангидрит легко
получается путем простого плавления
борной кислоты при 1200-1300оС. Благодаря
отличным электроизоляционным качествам
и сравнительной легкоплавкости боратные
стекла широко применяются в
электротехнике. Некоторые боратные стекла
представляют интерес для оптотехники.
Боратное стекло
Главнейшее значение в практике принадлежит
классу силикатных стекол. С ними не могут
сравниться по распространенности в быту и в
технике никакие другие классы стекол.
Решающие преимущества силикатных стекол
обусловлены их дешевизной, экономической
доступностью, высокой химической
устойчивостью в наиболее распространенных
химических реагентах и газовых средах, высокой
твердостью, сравнительной простотой
промышленного производства.
Силикатное стекло
Применяется как листовое стекло в авиа- и
машиностроении, для изготовления
бытовых изделий, средств защиты в
лабораториях, строительстве и архитектуре,
приборостроении, остекления парников,
куполов, окон, в медицине -протезы, линзы
в оптике, труб в пищевой промышленности
и др.
Органическое стекло
Элементарными называются стекла,
состоящие из атомов одного элемента. В
стеклоподобном состоянии можно получить
серу, селен, мышьяк, фосфор. Имеются
сведения о возможности остеклования
теллура и кислорода. При охлаждении 11оС дает каучукоподобный прозрачный
продукт, нерастворимый в сероуглероде.
Элементарное стело
При определении класса учитывается
природа стеклообразующего оксида,
входящего в состав стекла оксид бора, оксид
кремния, оксид фосфора. Многие оксиды
переходят в состояние стекла лишь в
условиях скоростного охлаждения оксид
мышьяка, оксид сурьмы, оксид ванадия,
либо сами по себе не стеклуются оксид
алюминия, оксид вольфрама, однако в
комбинациях стеклообразующие свойства
резко усиливаются.
Оксидное стекло
Применяют для изготовления кислотоупорных
цементов и бетонов, для пропитки тканей,
изготовления огнезащитных красок, силика-геля,
для укрепления слабых грунтов и др.
Стекловолокно — искусственное волокно широко
применяется в химической промышленности
для фильтрации горячих кислых и щелочных
растворов, очистки горячего воздуха и газов;
матариалы из стекловолокна применяются в
строительстве и при коррозионно-стойких
трубопроводов, при изготовлении
электроизоляции и др.
Растворимое стекло
Подготовил: студент 712группы
Грибков Александр
Проверила: учитель химии и биологии
Пахомова Наталья Валерьевна

English    
Русский
Правила

Создание гибкого, прочного и прочного стекла

Урок химии: делаем стекло гибким, прочным и прочным

https://schooltutoring.com/help/wp-content/themes/movedo/images/empty/thumbnail.jpg
150
150

Дебора

Дебора

https://secure.gravatar.com/avatar/63fb4ad5c163b8f83de2f54371b9e040?s=96&d=mm&r=g

13 марта 2013 г. 2 декабря 2014 г.

Обзор: что такое стекло?
Стекло — это особое состояние вещества, обладающее некоторыми свойствами твердого тела и некоторыми свойствами жидкости. Научное определение «стекло» относится к твердой структуре, в которой молекулы не образуют кристаллы, а перетекают друг в друга. Кроме того, когда вещество нагревается, оно образует не жидкость, а полутвердое состояние при «стекловании».

Обычное стекло из песка
Наиболее распространенная форма стекла состоит из кремнезема (например, песка), небольшого количества извести и натрия. Этот тип используется в окнах и типичной стеклянной посуде. Он хрупкий и хрупкий, и его использовали тысячи лет. Если студент нагреет стеклянную трубку из этого вещества в пламени горелки Бунзена, то ее легко растянуть и сделать пипетки, потому что молекулы могут двигаться и течь в полутвердом состоянии. Стеклодувы и художники используют это общее свойство стекла для создания прекрасных художественных форм.

Пластмассы — еще одна распространенная форма стекла
Ингредиенты, образующие стекло, могут быть самыми разнообразными. Например, в смесь кремнезема, извести и натрия могут быть добавлены другие элементы для изменения цвета и блеска стекла, такие как различные типы оксидов или свинец. Кроме того, согласно научному определению стекла, оно может быть изготовлено из акрила и других форм пластика. Эти формы стекла прочнее и легче и обычно используются в очках и других типах линз.

Новые способы изготовления стекла
Совсем недавно ученые использовали молекулярные и компьютерные технологии, чтобы узнать больше о том, как именно устроены атомы в стекле. Было известно, что некоторые вещества образуют стекло, когда их жидкие формы сначала расплавляют, а затем охлаждают. Они либо образуют жесткую решетчатую структуру кристалла, либо гладкую, плавную форму стекла. Ученые предположили, что внутри вещества будут образовываться кристаллы, которые будут течь друг над другом. Если бы они могли управлять структурой, они могли бы превращать твердые тела в формы стекла.

Стекло из металла
В настоящее время разрабатываются металлические сплавы, образующие стекло. Они сочетают в себе прочность металла с прозрачностью стекла. Они не трескаются и не разбиваются под давлением, как это делает стекло, поэтому вполне возможно сконструировать самолет со стеклянными крыльями. Не так давно бак из прозрачного алюминия был фантастикой. Он был во много раз прочнее и легче, чем аналогичный резервуар такого размера, сделанный из стекла. В настоящее время разрабатываются тонкие листы прозрачного алюминия и других веществ.

Заинтересованы в репетиторстве по естественным наукам? Узнайте больше о том, как мы помогаем тысячам студентов каждый учебный год.

SchoolTutoring Academy — это ведущая компания, предоставляющая образовательные услуги для учащихся K-12 и колледжей. Мы предлагаем программы репетиторства для учащихся K-12, классов AP и колледжей. Чтобы узнать больше о том, как мы помогаем родителям и учащимся в Сиракузах, штат Нью-Йорк, посетите веб-сайт Tutoring in Syracuse, NY

Что делает стекло прозрачным? | HowStuffWorks

Вы когда-нибудь наблюдали за строительством дома? Плотники сначала возводят основной каркас конструкции, используя шпильки размером два на четыре. Затем к стойкам прибивают обшивку, обычно фанеру, чтобы получились стены. В большинстве стен есть оконный проем, который удерживает лист стекла, расположенный в раме. Окна делают дом светлым, теплым и гостеприимным, потому что пропускают свет. Но почему стеклянное окно должно быть более прозрачным, чем окружающее его дерево? В конце концов, оба материала прочные, и оба защищают от дождя, снега и ветра. Тем не менее, дерево непрозрачно и полностью блокирует свет, а стекло прозрачно и беспрепятственно пропускает солнечный свет.

Возможно, вы слышали, как некоторые люди — даже некоторые учебники по естествознанию — пытались объяснить это, говоря, что дерево — это настоящее твердое тело, а стекло — очень вязкая жидкость. Затем они продолжают утверждать, что атомы в стекле разбросаны дальше друг от друга и что эти промежутки пропускают свет. Они могут даже указать на окна многовековых домов, которые часто выглядят волнистыми и неравномерно толстыми, как на свидетельство того, что окна с годами «потекли», подобно медленному ползанию патоки в холодный день.

Реклама

На самом деле стекло вовсе не жидкость. Это особый тип твердого вещества, известный как аморфное твердое тело . Это состояние материи, в котором атомы и молекулы заперты на своих местах, но вместо того, чтобы образовывать аккуратные, упорядоченные кристаллы, они располагаются случайным образом. В результате стекла механически жесткие, как твердые тела, но имеют неупорядоченное расположение молекул, как жидкости. Аморфные твердые тела образуются, когда твердое вещество плавится при высоких температурах, а затем быстро охлаждается — процесс, известный как 9.0046 закалка .

Во многом стекла похожи на керамику и обладают всеми ее свойствами: долговечностью, прочностью и хрупкостью, высокой электрической и термической стойкостью, отсутствием химической активности. Оксидное стекло, как и коммерческое стекло, которое вы найдете в листовом и листовом стекле, контейнерах и лампочках, обладает еще одним важным свойством: оно прозрачно для диапазона длин волн, известного как видимый свет. Чтобы понять почему, мы должны более внимательно изучить атомную структуру стекла и понять, что происходит, когда фотоны — мельчайшие частицы света — взаимодействуют с этой структурой.

Мы сделаем это дальше.

Реклама

Электрон фотону: ты меня не возбуждаешь

Во-первых, напомним, что электроны окружают ядро ​​атома, занимая разные энергетические уровни. Чтобы перейти с более низкого на более высокий энергетический уровень, электрон должен набрать энергию. Наоборот, чтобы перейти с более высокого на более низкий энергетический уровень, электрон должен отдать энергию. В любом случае электрон может получать или отдавать энергию только дискретными связками.

Теперь давайте рассмотрим фотон, движущийся к твердому веществу и взаимодействующий с ним. Может произойти одно из трех:

Реклама

1. Вещество поглощает фотон . Это происходит, когда фотон отдает свою энергию электрону, находящемуся в материале. Вооружившись этой дополнительной энергией, электрон может перейти на более высокий энергетический уровень, а фотон исчезнет.
2. Вещество отражает фотон . Для этого фотон отдает свою энергию материалу, но излучается фотон с такой же энергией.
3. Вещество позволяет фотону проходить без изменений . Это известно как передача, потому что фотон не взаимодействует ни с одним электроном и продолжает свое путешествие, пока не взаимодействует с другим объектом.

Стекло, конечно же, относится к последней категории. Фотоны проходят через материал, потому что у них недостаточно энергии, чтобы возбудить стеклянный электрон на более высокий энергетический уровень. Физики иногда говорят об этом в терминах теории зон 9.0047, в котором говорится, что энергетические уровни существуют вместе в областях, известных как энергетические полосы . Между этими полосами находятся области, известные как запрещенные зоны , где уровней энергии для электронов вообще не существует. Некоторые материалы имеют большую ширину запрещенной зоны, чем другие. Стекло — один из таких материалов, а это означает, что его электронам требуется гораздо больше энергии, прежде чем они смогут переходить из одной энергетической зоны в другую и обратно. Фотонам видимого света — света с длинами волн от 400 до 700 нанометров, соответствующих цветам фиолетового, индиго, синего, зеленого, желтого, оранжевого и красного — просто не хватает энергии, чтобы вызвать этот пропуск. Следовательно, фотоны видимого света проходят через стекло, а не поглощаются или отражаются, что делает стекло прозрачным.

При длинах волн меньших, чем видимый свет, фотоны начинают иметь достаточно энергии, чтобы перемещать электроны стекла из одной энергетической зоны в другую. Например, ультрафиолетовый свет с длиной волны от 10 до 400 нанометров не может проходить через большинство оксидных стекол, таких как оконное стекло. Это делает окно, в том числе окно в нашем гипотетическом строящемся доме, столь же непроницаемым для ультрафиолетового света, как древесина для видимого света.

Продолжайте читать, чтобы узнать больше ссылок, которые осветят ваш мир.

Реклама

Первоначально опубликовано: 19 июня 2000 г.

Прозрачное стекло Часто задаваемые вопросы

Почему стекло прозрачно для видимого света, но непрозрачно для ультрафиолетового и инфракрасного излучения?

Это происходит из-за удерживания энергии ультрафиолетового и инфракрасного света и их длин волн. Когда видимый свет проходит через стекло, волнам не хватает энергии, чтобы возбудить электроны внутри, поэтому они проходят прямо через кристаллизованную структуру, вызывая прозрачность.

Почему стекло прозрачно, а любой типичный металл непрозрачен?

Эта концепция также известна как прозрачность или прозрачность. Хотя у световых волн нет энергии для возбуждения и отражения электронов стекла, этого нельзя сказать о других металлах. Свет касается электронов, возбуждает их и отражается, что позволяет нам увидеть металл.

Всегда ли стекло прозрачное?

Не все стекла прозрачны — иногда они полупрозрачны, светятся или могут искажать изображение на другом конце. Это связано с тем, что по мере того, как слои стекла продолжают складываться, свет отражается внутри слоев, электрон за электроном, а это означает, что в конечном итоге стекло больше не остается прозрачным.

Как песок становится прозрачным стеклом?

При перегреве песка частицы диоксида кремния также плавятся при температуре 3090°F. Расплавленный диоксид кремния отфильтровывает любые примеси. В то время как в песке есть примеси, которые делают его видимым, чистый диоксид кремния образует прочный кристалл, который представляет собой прозрачное стекло.

Почему стекло прозрачное и хрупкое?

Если стекло не термообработано, оно прозрачно, так как в стекле нет примесей и границ зерен. Отсутствие этих границ означает, что нет определенной границы для связи между соединениями, что делает стекло хрупким.

Много дополнительной информации

Статьи по теме

Другие полезные ссылки

• Стекло
• Шестьдесят символов: Почему стекло прозрачное?
• Музей стекла Corning

Источники

• «аморфное твердое вещество». Британская энциклопедия. Британская энциклопедия онлайн. Британская энциклопедия, 2011. Интернет. (2 мая 2011 г.) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/21328/amorphous-solid
• Аскеланд, Дональд Р. и Прадип Прабхакар Пхуле. Наука инженерии и материалов. Томсон. 2006. Чендлер, Дэвид Л. «Объяснение: запрещенная зона». Новости Массачусетского технологического института. 23 июля 2010 г. (2 мая 2011 г.) http://web.mit.edu/newsoffice/2010/explained-bandgap-0723.html
• «стекло». Британская энциклопедия.