Стекло. Строение стекла, его состав, свойства.

Введение

История стекла насчитывает около шести тысяч лет. Подаренное природой человеку, оно прочно вошло в жизнь людей. Его значение неоценимо и наверняка ли в ближайшее время найдется ему замена. Органические стекла, пока, значительно уступают по основным параметрам неорганическим стеклам.
Стекло применяется практически всюду, во всех отраслях жизни – в быту, производстве, науке, искусстве. Без стекла невозможны были бы многие научные открытия, жилища без стеклянных окон даже представить невозможно.
Такой популярности стекло обязано своим свойствам, которые резко отличают его от других веществ. В первую очередь это прозрачность, которая достигает более 99%. Поэтому стекло является абсолютным рекордсменом по прозрачности, которую не могут достичь ни природные, ни искусственные вещества. Второе замечательное свойство стекла – его химическая устойчивость к активнейшим химическим реагентам, лишь единственному веществу удается его разрушить – плавиковой кислоте.
Относительная дешевизна и большая доступность исходного сырья для производства стекла позволили очень широко применять его как в быту, так и в промышленности, науке. Изменяя химический состав стекла, удалось получить самые различные его разновидности. Свойства изменяются от растворимого в воде стекла, до тугоплавкого, выдерживающего резкие температурные перепады.
Не вполне еще изучена структура стекла и, поэтому, не все его свойства известны. Так что все основные открытия новых стекол еще впереди.
Строение стекла
В природе существует три агрегатных состояния веществ – газообразное, жидкое и твердое. Твердые вещества находятся в одной из двух, совершенно различных, форм – кристаллической и аморфной. Аморфные твердые вещества существуют в виде порошков, пленок, гелей, смол и стекол.
Стекло – вещество, являющееся твердым, хрупким и с определенной прозрачностью. Оно занимают промежуточное положение между жидкостями и кристаллами. Упругость стекла делает их похожим на твердые кристаллические вещества, а отсутствие симметрии структуры (изотропной) делает стекло похожим на жидкости.
Все стекла обладают общими характеристиками:
– изотропны, то есть их свойства одинаковы во всех направлениях;
– при нагревании не плавятся, а постепенно размягчаются, переходя, затем, в капельножидкое состояние;
– являются обратимыми, то есть после остывания нагретое стеклообразное вещество становится снова твердым.
Стеклообразование происходит, в отличие от кристаллизации, путем переохлаждения высоковязких расплавов, не зависимо от их химического состава и температурной области затвердевания.
Отсутствие прямых методов исследования аморфных веществ, отсутствие способов плоскостного изображения объемно неупорядоченных структур пока не позволяют создать завершенную теорию строения стекла.


Существует несколько теорий строения стекла. Они рассматривают строение стекла на электронном, атомном или молекулярном уровнях, используя основные положения кристаллохимии, теориий химической связи, зонного строения твердых тел.
Эти теории появились после открытия рентгеновских лучей и положили начало структурного изучения стекла.
Кристаллическая теория.
По этой теории, основанной на рентгеновских исследований, стекла состоят из высокодисперсных кристалликов (кристаллитов), основу которых составляют кристаллики кварца. Дальнейшее развитие кристаллическая теория получила при возможности изучения структуры стекла с помощью электронных лучей. Это позволило получить более отчетливую дифракционную картину, доказывающую наличие кристаллитов. Но этого оказалось недостаточно, для принятия данной теории, так как не удается получить однозначного конкретного результата.
Не дают, так же, однозначных результатов в пользу кристаллитов и спектральные исследования. Поэтому теория сводится к понятию наличия в стекле деформированных структур со свойствами кристаллических решеток

.
Теория аморфной непрерывной структуры (ионная теория).
По этой теории атомы в стекле образуют трехмерную непрерывную решетку и, в отличии от решетки кристаллов, не симметрична и не периодична. Исследования основаны на изучении рентгенограмм. Эта теория дает простое объяснение некоторых свойств стекла.
Теория аморфной дифференцированной структуры (агрегативная теория).
Исследования производятся, так же как и в предыдущих двух теориях, но выводы делаются совершенно другие. Считается, что стекло состоит из прочного кремнеземистого скелета, пропитанного силикатами щелочных и щелочноземельных металлов. Это доказывается, так же, как химическими, так и тонкими физическими опытами.

Состав стекла
Стекло, как искусственное вещество, может включать в себя почти все элементы периодической системы. Неорганические стекла по своему составу подразделяются на несколько типов: элементарные, оксидные, галогенидные, халькогенидные и смешанные.
Элементарные стекла.
Это стекла состоящие из атомов одного элемента. В стеклоподобном состоянии можно получить серу, селен, мышьяк и фосфор и углерод.
Промышленное применение находит только стеклоуглерод. Он способен оставаться в твердом состоянии до 3700 . Имеет низкую плотность, обладает высокой механической плотностью, электропроводностью, химически устойчив.
Оксидные стекла.
Они делятся на классы в зависимости от стеклообразующего окисла, являющегося основным компонентом стекла.
Силикатные стекла. Им принадлежит главнейшее место в практике – их производство занимает примерно 95% общего объема производства стекла. Это самый распространенный класс стекол, как в быту, так и в промышленности. Лишь только органическое стекло, в какой-то степени может конкурировать с силикатным стеклом. Основные преимущества силикатных стекол: дешевизна, доступность, высокая химическая стойкость, высокая прочность и несложная технология производства.
Боратные стекла. Они обладают некоторыми свойствами, которые делают эти стекла незаменимыми. Боратные стекла способны эффективно поглощать медленные нейтроны, обладают высокой рентген прозрачностью, устойчивы к парам щелочных металлов, имеют высокие электроизоляционные качества.
Фосфатные стекла. Эти стекла наряду с полезными свойствами, обладают существенными недостатками, что препятствует их широкому применению.
Германатные стекла. Являются ближайшими аналогами силикатных стекол. Имея низкую химическую стойкость и дефицитность основного компонента не имеют практического значения.
Остальные классы оксидных стекол имеют очень ограниченное практическое применение.
Галогенидные стекла.
Получают на основе стеклообразующего компонента фторбериллата. Кроме него в состав стекла входят фториды алюминия, кальция, магния, стронция, бария.
Эти стекла очень устойчивы к жестким излучениям, обладают высоким удельным сопротивлением и высокой теплопроводностью.
Халькогенидные стекла.
Они образованы из сульфидов, селенидов и теллуридов. Все они непрозрачны в видимой области света, но обладают высокой прозрачностью в инфракрасной области.
Смешанные стекла.
Эти стекла синтезируются из стеклообразующих соединений рассмотренных выше.
Рассмотри подробнее состав некоторых типичных промышленных силикатных стекол, как самых распространенных. Основным веществом силикатного стекла является кремнезем.
Оконное стекло: кремнезем – 72%, глинозем – 2%, окись натрия – 14%, окись кальция – 9%, окись магния – 3%.
Бутылочное стекло: кремнезем – 70%, глинозем – 3%, окись натрия – 17%, окись кальция – 8%, окись магния – 2%.
Хрусталь: кремнезем – 56%, окись калия – 11%, окись свинца – 33%.
Лабораторное стекло: кремнезем – 85%, борный ангидрид – 9%, глинозем – 2%, окись натрия – 4%.
Оптическое стекло: кремнезем – 34%, борный ангидрид – 13%, глинозем – 3%, окись бария – 46%, окись цинка – 4%