Производство стекла

Доклад по химии

на тему: «Производство  стекла»

Содержание

1. История  изготовления стекла 3

2. Применение  стекла в быту и его обработка 4

3. Состав стекла 6

4. Производство  стекла 7

Литература 12

 
Введение 
Стекло — вещество и материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, — универсальный в практике человека. Физико-химически — неорганическое вещество, твёрдое тело, структурно — аморфно, изотропно; все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии — от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного — в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты). Температура варки стёкол, от 300 до 2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и др.). Прозрачность (для видимого человеком спектра) не является общим для всех видов существующих как в природе, так и в практике стёкол. 
 
1. История изготовления 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.

Изделия из стекла так же, как и из керамики, практически  не подвергаются атмосферным воздействиям и хорошо сохраняются даже под  слоем земли. Они донесли до нас  бесценную информацию об уровне культуры и техники древних народов. Благодаря  стеклу до нашего времени дошли величайшие художественные произведения различных  эпох культуры человечества. Первый стекольный завод в России был построен в 1636 г. близ г. Воскресенска под Москвой.

В России изготовление стекла и смальты восходит к временам Киевской Руси. Художественные изделия  с применением золочения изготовляются  при дворе Алексея Михайловича(завод в подмосковном Измайлове, построенный в 1668). Новый уровень производства стекла был достигнут после постройки по личному распоряжению Петра I Императорского хрустального и стекольного завода в Москве, впоследствии переведенного в Петербург. Русское стекло и хрусталь на уровне последних мировых достижений выпускались с 18 века на заводах купцов Мальцовых -- Дятьковском и Гусевском хрустальном. Здесь была также самостоятельно открыта и техника производства рубинового стекла.

Силикаты, соли кремниевых кислот. Примеры -- каолинит Al4[Si4O10](OH)8, топаз Al2(SiO4)F2. Многие важные промышленные материалы -- керамика, кирпич, цемент, бетон, огнеупоры, стекло -- в основном состоят из силикатов.

Силикатные краски, краски на основе жидкого стекла. Применяются  главным образом в строительстве  для получения долговечных покрытий по штукатурке, кирпичу, бетону, камню.

2. Применение стекла в  быту и его обработка

Главный потребитель стекла в настоящее время -- строительная индустрия. Больше половины всего вырабатываемого стекла приходится на оконное для остекления зданий и транспортных средств: автомашин, железнодорожных вагонов, трамваев, троллейбусов. Кроме того, стекло используют в качестве стенового и отделочного материала в виде пустотелых кирпичей, блоков из пеностекла, а также облицовочных плиток. Примерно треть производимого стекла идет на изготовление сосудов различного типа и назначения. Это прежде всего стеклянная тара -- бутылки и банки. В большом количестве стекло расходуется на изготовление столовой посуды. Стекло пока незаменимо для производства химической посуды. В довольно большом количестве из стекла изготавливают вату, волокно и ткани для тепловой и электрической изоляции.

Относительная дешевизна  стеклянных строительных материалов обусловливается  широким распространением, а следовательно, доступностью и дешевизной сырья. Расплавленное стекло является удобным материалом для формования в изделия механизированным способом. Стекло хорошо поддается механической обработке. Это также снижает стоимость стеклянных изделий. Стекло пилят так же, как дерево, но для этого в кромку дисковой пилы зачеканивают алмазный или иной твердый порошок. Его можно сверлить обыкновенными стальными сверлами, применяя специальную смачивающую жидкость. Стекло колют на куски при помощи простого инструмента, напоминающего колун для дров, но действующим не ударом, а постепенно нарастающим усилием.» Стекло можно обрабатывать на токарном станке резцами из особо твердой стали, вытачивая фигурные колонки так же, как из дерева или металла. Стекло шлифуют и полируют, применяя обычные абразивные порошки, инструменты и методы, давно известные и широко используемые в металлообрабатывающем производстве. Стекло можно сварить из одного кварцевого песка, химическая формула которого SiO2. Однако для этого нужна очень высокая температура (выше 1700°С). Получение таких температур в печах промышленного типа связано с большими трудностями. Обычные печи, в которых используются твердое, жидкое или газообразное топливо, для этого не годятся. Для плавления кварцевого песка применяют электрические печи специального устройства или горелки, в которых сжигается водород в токе кислорода. Расплавленный кварцевый песок представляет собой столь густую и вязкую массу, что из нее трудно удалить воздушные пузырьки и придать изделиям нужную форму.

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°). 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 -- СаСОз.

3. Состав стекла

химический стекло кварцевый  песок

Стекло, твердый аморфный прозрачный в той или иной области  оптического диапазона (в зависимости  от состава) материал, полученный при  переохлаждении расплава, содержащего  стеклообразующие компоненты (оксиды Si, B, Al, P и т. д.) и оксиды металлов (Li, K, Mg, Pb и т. д.). Наиболее распространено силикатное стекло.

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:

Na2CО3 Na2 О+CО2

СаСОз СаО+СО2

В результате в состав стекла входят оксиды SiО2, Na2О и СаО. Они образуют сложные соединения -- силикаты, которые являются натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты.

В стекло вместо Na2О с успехом  можно вводить К2О, а СаО может быть заменен MgO, РbО, ZnO, BaO. Часть кремнезема можно заменить на оксид бора или оксид фосфора (введением соединений борной или фосфорной кислот). В каждом стекле содержится немного глинозема АlО3, 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. Напри-мер, 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.

4. Производство стекла

Основным сырьем для производства стекла является сода. Сода - сырье относительно дорогое и имеющее огромный спрос  со стороны различных отраслей народного  хозяйства. Поэтому в качестве источника Na2O при варке стекла используют также  природный минерал Na2SO. Однако в этом случае варка стекла требует более  высоких температур. Кроме того, в шихту необходимо вводить уголь  для восстановления серы в соответствии с уравнением

2Na2SO + С 2Na2O + 2SO2 + СО2

При варке стекла первым плавится оксид щелочного металла, после  чего в этом расплаве начинают растворяться зерна кварца и известняка, вступая  в химическое взаимодействие. Поэтому  чем больше в стекле оксидов щелочных металлов, тем при меньших температурах оно плавится. В Древнем Египте, когда техника получения высоких  температур была несовершенна, в стеклоделии  преобладали рецепты с повышенным содержанием оксидов щелочных металлов (до 30 %) и малым содержанием извести (около 3--5%). В эллинистическую эпоху, с усовершенствованием техники  получения высоких температур, содержание оксидов щелочных металлов снижается  до 16--17 %, а извести повышается до 10 %. Естественно, что такие стекла стали более стойкими к воде. В  настоящее время варка стекла проводится при температуре 1400--1500°С в течение нескольких часов. Процесс варки стеклоделы делят на три стадии: провар шихты, осветление (удаление «мошки» и «свилей»), студка -- осторожное охлаждение.

Мошкой стеклоделы называют мелкие пузырьки газа, распределенные по всей массе стекла. Ее удаление из жидкой массы производят «бурлением»  при помощи деревянной чурки или  обыкновенного сырого картофеля. Помещенные в жидкое стекло, они дают обильное выделение газов, которые и очищают  от мошки всю массу. Ее наличие  в изделиях считается браком. Мошка  особенно недопустима в оптических стеклах.

Стекольным свилем называют нитеобразные потоки, подобные тем, которые можно наблюдать в процессе растворения сахара в воде при медленном перемешивании. Свиль -- это видимая граница двух соседних участков стекольной массы. Наличие свилей свидетельствует о плохой перемешанности стекольной массы при варке, т. е. о его низком качестве.

Охлаждение стекла, а точнее изделия из него проводят медленно, чтобы избежать в нем напряжений. При быстром охлаждении стекла поверхностные  слои тела затвердевают и могут иметь  температуру, близкую к комнатной, а внутренние части, вследствие низкой теплопроводности, могут иметь температуру  до 1000 °С. Поскольку внутренние части при охлаждении сжимаются, а наружные уже не уменьшаются в размере, в них возникают высокие поверхностные сжимающие напряжения. Внутренние слои, наоборот, испытывают высокие растягивающие напряжения. Такое стеклянное тело называют «закаленным». Закаленное стекло обладает высокой механической прочностью. Однако у него есть и недостатки. При нарушении поверхностного слоя (например, нанесение царапины), т. е. при нарушении сжимающих и растягивающих сил, закаленное стекло разлетается вдребезги.

При медленном охлаждении стеклянного тела растягивающие и сжимающие напряжения не возникают. Такое стекло называют «отожженным». Мелкие изделия, например столовая посуда, отжигаются (охлаждаются) в течение нескольких часов. Крупные и прецизионные изделия, например линзы астрономических объективов диаметра 1 м и более, отжигаются в течение нескольких месяцев.

Окраску стекла осуществляют введением в него оксидов некоторых  металлов или образованием коллоидных частиц определенных элементов. Так, золото и медь при коллоидном распределении  окрашивают стекло в красный цвет. Такие стекла называют золотым и  медным рубином соответственно. Серебро  в коллоидном состоянии окрашивает стекло в желтый цвет. Хорошим красителем является селен. В коллоидном состоянии  он окрашивает стекло в розовый цвет, а в виде соединения CdS * 3CdSe -- в красный. Такое стекло называют селеновым рубином. При окраске оксидами металлов цвет стекла зависит от его состава и от количества оксида-красителя. Например, оксид кобальта (II) в малых количествах дает голубое стекло, а в больших -- фиолетово-синее с красноватым оттенком. Оксид меди (II) в натрий-кальциевом стекле дает голубой цвет, а в калиево-цинковом -- зеленый. Оксид марганца (II) в натрий-кальциевом стекле дает красно-фиолетовую окраску, а в калиево-цинковом--сине-фиолетовую. Оксид свинца (II) усиливает цвет стекла и придает цвету яркие оттенки.

Бутылочное стекло низкого  сорта, как правило, имеет окраску, которая зависит от присутствия  в нем ионов Fe 2+ и Fе3+. Стекольное сырье трудно очищается от железа и поэтому в дешевых сортах оно всегда присутствует. Ионы Fe2+ хорошо поглощают лучи света с длиной волны примерно 600 ммк (желтые и красные) и, следовательно, окрашивают стекло в дополнительный голубой цвет. Ионы Fe3+ поглощают лучи с длиной волны 500 ммк (синие и фиолетовые), окрашивая стекло в желтоватый цвет. Важно отметить, что ионы Fe2+ в области видимого света имеют удельное поглощение, примерно в 10 раз большее, чем ионы Fe3+. Поскольку в стекле одновременно содержатся как ионы Fe2+, так и ионы Fe3+, они и придают стеклу зеленоватую окраску (бутылочный цвет).

Существуют химические и  физические способы обесцвечивания стекла. В химическом способе стремятся  все содержащееся железо перевести  в Fe3+. Для этого в шихту вводят окислители -- нитраты щелочных металлов, диоксид церия СеО2, а также оксид мышьяка (III) Аs2Оз и оксид сурьмы (III) Sb2Oз. Химически обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов Fe3+) в желтовато-зеленоватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При физическом обесцвечивании в состав стекла вводят «красители», т. е. ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске, создаваемой ионами железа, -- это оксиды никеля, кобальта, редкоземельных элементов, а также селен. Диоксид марганца МпО2 обладает свойствами как химического, так и физического обесцвечивания. В результате двойного поглощения света стекло становится бесцветным, но его светопропускание понижается. Таким образом, следует различать светопрозрачные и обесцвеченные стекла, поскольку эти понятия различны.