38. Стекло. Состав, структура.

Стекло – аморфное вещество, получаемое путем быстрого охлаждения расплава силикатов сложного состава.

Силикаты – это соли кремниевых кислот, имеющих общий состав mSiO2Н2O. В широко встречающихся в минералах – ортосиликатах SiO22Н2O силикат-ионы SiO4–4 имеют строение правильного тетраэдра ограниченного размера.

Тетраэдры SiO4 могут быть соединены в вершине через атом кислорода. Число тетраэдров, соединенных вершинами, может увеличиваться, при этом образуются более крупные ионы. На рис. показан силикат-ион Si2O7 из двух одинаковых тетраэдров [SiO4]. Тетраэдры при объединении образуют в твердом состоянии устойчивую кристаллическую решетку с ионным типом связи между атомами.

Характерной особенностью структуры аморфного (стеклообразного) состояния является наличие лишь небольших участков упорядоченного расположения атомов, т.е. ближнего порядка в расположении атомов при отсутствии дальнего порядка, характерного для кристаллических веществ. Этим структура стекла отличается как от структуры жидкости, где атомы расположены хаотично, так и кристаллических веществ с упорядоченным расположением атомов. Стекла по структуре занимают промежуточное положение между этими двумя крайними состояниями вещества, а по составу представляют собой смесь разных (преимущественно натриевых) силикатов.

Если расплавы металлов и сплавов очень быстро охлаждать, то будет получена аналогичная структура, то есть аморфный металлический материал. Для получения стекла сверхвысокие скорости охлаждения не требуются, так как расплавы обладают очень высокой вязкостью, которая тормозит процессы формирования упорядоченного расположения атомов.

При медленном охлаждении расплава силикатов с длительной выдержкой затвердевших силикатов в нагретом состоянии получается материал с кристаллическим строением как результат процесса, называемого расстекловыванием. Такой дефект может возникать и в процессе длительной эксплуатации стекол, особенно в условиях нагревания.

39. Основным сырьем для производства стекла служат кварцевый песок, известняк и сода. При их сплавлении получается стекло строительного и бытового назначения, состоящего из оксидов Na2OСаО6SiO2 с небольшими добавками оксидов алюминия и магния. Зеленоватый оттенок стеклу придает наличие в исходном сырье примесей оксидов железа.

Ионы натрия и кальция, входящие в состав бытового стекла, имеют большие размеры, чем ионы кремния. Они располагаются в междоузлиях, где удерживаются ионными связями. Дополнительные атомы кислорода, напротив, присоединяются к сетке, но вследствие избытка отрицательных ионов часть связей разрывается, что ослабляет прочность сетки и, как следствие, приводит к уменьшению вязкости.

40. Процесс расплавления стекла называется варкой, после которой необходимо проведение быстрого охлаждения полученного расплава.

Добавление к кремнезему 15% Na2O и 10% СаО снижает температуру размягчения с 1600 до 700 °С, что упрощает технологию производства стекла. Однако частичный разрыв связей между ионами кремния в атомарной сетке стекла, обеспечивающий снижение вязкости расплава, приводит также к снижению его прочности. Поэтому такие стекла используют преимущественно в бытовых условиях.

В шихту для получения стекла наряду с кварцевым песком (кремнеземом), содой (Na2CO3) и известняком (СаСО3) вводят оксиды других металлов с технологическими добавками. Вводимые в стекло добавки называются модификаторами.

Стекла технического назначения по содержанию оксидов щелочных (натрий и калий) и щелочно-земельных (кальций и магний) металлов делят на щелочные (15% модификаторов), бесщелочные (5%) и кварцевые (без добавок).

Замена оксидов натрия оксидами калия способствует усилению блеска и прозрачности стекол, уменьшает склонность стекол к расстекловыванию. Эти свойства находят применение в оптической промышленности, из калиевого стекла изготовляют химическую посуду и хрусталь.