Стекло
При нагревании смесей многих силикатов друг с другом или с кремнеземом получаются прозрачные аморфные сплавы, называемые стеклами.
Основное свойство всякого стекла, играющее главную роль при производстве стеклянных изделий, заключается в том, что, будучи расплавлено, оно при охлаждении не сразу затвердевает, а постепенно густеет, делается вязким и, наконец, превращается в твердую однородную прозрачную массу.
Многие другие свойства стекла в значительной степени зависят от его состава. Изменяя не только составные части стекла, но и их относительные количества, можно получать стекла, обладающие совершенно различными свойствами.
Обыкновенное оконное стекло, а также стекло, из которого приготовляется большая часть стеклянной посуды, употребляемой в домашнем обиходе (бутылки, стаканы и т. п.), состоит главным образом из силикатов натрия и кальция, сплавленных с кремнеземом. Состав такого стекла приблизительно выражается формулой Na2O • СаО • 6SiO2. Исходными материалами для его получения служат, однако, не сами силикаты, а белый песок, сода и известняк или мел. Смесь этих веществ сплавляют в регенеративных печах, нагреваемых обычно пламенем генераторного газа. При плавлении происходят следующие реакции:
CaCО3 + SiО2 = CaSiО3 + CО2
Na2CО3 + SiО2 = Na2SiО3 + CО2
Часто соду заменяют сульфатом натрия и углем. Уголь восстанавливает Na2SО4 в Na2SО3, который, вступая в реакцию с песком, образует Na2SiО3:
2Na2SО4 + 2SiО2 + С = 2Na2SiО3 + 2SО2 + CO2
Стеклянные изделия приготовляют выдуванием, литьем, прессованием и вытягиванием. Выдувание стеклянных изделий еще недавно производилось исключительно силой легких рабочего и представляло, очень тяжелый труд. В настоящее время стекольная промышленность в значительной мере механизирована. Существуют машины, механически изготовляющие простейшие стеклянные предметы (например, бутылки), а также машины для непосредственного получения листового стекла путем вытягивания из вязкой стекломассы бесконечной стеклянной ленты.
Если при «варке» стекла заменить соду поташом, то получается тугоплавкое стекло. Оно применяется для изготовления особого сорта химической посуды, способной выдерживать более сильное нагревание, чем посуда из обычного стекла.
При сплавлении кремнезема с поташом и окисью свинца получается светлое тяжелое стекло, называемое хрусталем и содержащее силикаты калия и свинца. Такое стекло обладает большой лучепреломляющей способностью и при шлифовке приобретает сильный блеск; из него делают оптические стекла и художественную посуду.
Большое влияние на свойства стекла оказывает замена частиц кремнезема борным ангидридом В2О3 . Прибавление борного ангидрида увеличивает твердость стекла, делает его более стойким к химическим воздействиям и менее чувствительным к резким изменениям температуры. Из такого стекла изготовляется высококачественная химическая посуда.
Применяемый при варке обыкновенного стекла песок часто содержит примесь соединений железа, сообщающих стеклу зеле-ный оттенок. Чтобы предотвратить образование зеленого оттенка, к сплавляемой массе прибавляют ничтожные количества селена, вызывающие розовое окрашивание. Дополнительные цвета — розовый и зеленый — дают в совокупности белый. Аналогично действует и двуокись марганца.
Иногда в сплавляемую стеклянную массу специально прибавляют те или иные вещества для получения окрашенных стекол. Так, например, окись хрома Сr2О3 сообщает стеклу зеленую окраску, двуокись марганца — красновато-лиловую, закись кобальта — синюю и т. д. В большинстве случаев цвет стекла зависит от образования окрашенных силикатов (железа, марганца, кобальта и др.). Но иногда он вызывается тем, что прибавленное вещество находится в стекле в чрезвычайно мелко раздробленном состоянии. Так, например, от прибавления ничтожного количества золота стекло приобретает рубиново-красный цвет, который обусловливается присутствием в стекле мельчайших, невидимых даже в микроскоп, частиц золота, выделяющихся при медленном охлаждении расплавленного стекла. Рубиновые стекла пропускают только красные лучи и потому применяются при фотографических процессах, требующих красного освещения.
Начало производству цветных стекол в России было положено М. В. Ломоносовым, разработавшим и практически осуществившим способ получения цветного стекла, бисера, стекляруса, мозаичных смальт и ряда других веществ. Знаменитые мозаичные картины Ломоносова, сохранившиеся и До настоящего времени, составлялись из тысяч мелких кусочков разноцветных стекол (смальт), приготовленных по его рецептам. Для выработки цветного стекла Ломоносовым в 1773 г. был выстроен под Петербургом небольшой стекольный завод. На этом заводе производилась, кроме названных выше предметов, разноцветная стеклянная посуда и различные мелкие художественные изделия из стекла (запонки, табакерки, набалдашники для палок и т. п.). Несколько позднее окрашенные стекла и цветной хрусталь стали изготовлять по рецептам Ломоносова на казенном стекольном заводе в Петербурге.
Стекло обычно причисляют к веществам, нерастворимым в воде. Однако при продолжительном действии воды на обыкновенное натриевое стекло вода отчасти извлекает из него силикат натрия. Если, например, взболтать истертое в порошок стекло с водой и затем прибавить несколько капель фенолфталеина, то жидкость ясно окрашивается в розовый цвет, обнаруживая щелочную реакцию (вследствие гидролиза Na2SiO3).
Кроме перечисленных видов стекла, в основном представляющих собой сплавы различных силикатов с кремнеземом, большое значение имеет стекло, приготовленное прямо из расплавленного в электрической печи кварца.
Кварцевое стекло обладает многими преимуществами перед обыкновенным стеклом. Так как точка плавления кварца лежит около 1500°, то кварцевое стекло можно подвергать действию высокой температуры, — оно при этом ничуть не размягчается. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолетовые лучи, которые обыкновенное стекло задерживает. Очень ценным качеством кварцевого стекла является его крайне ничтожный коэффициент расширения. Это значит, что при нагревании или охлаждении объем кварцевого стекла почти не изменяется. Поэтому сделанные из него предметы можно сильно накалить и затем быстро опустить в холодную воду: они не растрескиваются.
Кварцевое стекло применяется для изготовления лабораторной посуды (тиглей, чашек, колб и др.) и в химической промышленности. В технике освещения кварцевое стекло используется для изготовления электрических ртутных ламп, свет которых содержит много ультрафиолетовых лучей. Ртутными лампами пользуются в медицине, для научных целей и особенно при киносъемках. Недостатками кварцевого стекла, препятствующими его широкому распространению, являются трудность обработки, хрупкость и высокая стоимость.
В обыкновенном стекле прохождению ультрафиолетовых лучей препятствуют содержащиеся в нем окислы железа, особенно Fe2O3. Этот недостаток стекла может быть устранен применением при его выплавке чистых исходных материалов. Таким путем получают увиолевое стекло, которое почти так же хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи, как и кварцевое, но гораздо дешевле его и легче обрабатывается. Содержание в этом стекле Fe2O3 не превышает 0,02—0,08%. Увиолевое стекло применяется в медицине при облучении ультрафиолетовыми лучами и в некоторых случаях для изготовления оконного стекла.
Производство стекла составляет одну из крупнейших отраслей силикатной промышленности.
Вытягиванием расплавленного стекла через фильеры можно получать нити диаметром от 2 до 10 μ — так называемое стеклянное волокно. Стеклянное волокно не обладает хрупкостью, свойственной обыкновенному стеклу, и отличается очень большой прочностью на разрыв. Ткани из этого волокна негорючи, не проводят тепло и электрический ток, плохо проводят звук, химически стойки.
Ценные свойства получаемых из стеклянного волокна материалов позволяют широко использовать эти материалы в различных областях техники, особенно в электротехнической промышленности. Большое значение при этом имеет доступность и дешевизна основного сырья и неcложная технология производства стеклянного волокна.
Путем сочетания стеклянного волокна с различными синтетическими смолами можно получать новые конструкционные материалы— стеклопластики. Стеклопластики в 3—4 раза легче стали, но не уступают ей по прочности что позволяет с успехом заменять ими как металл, так и дерево в машиностроении, строительстве и т. п. Из стеклопластиков, например, изготовляют трубы, выдерживающие большое гидравлическое давление и не подвергающиеся коррозии. Стеклопластики находят все большее применение в автомобильной, авиационной и судостроительной промышленности и во многих других отраслях народного хозяйства.
Вы читаете, статья на тему Стекло