האם זכוכית מוצקה או נוזלית? האם שמעתם פעם את השאלה הזו? שאלה זו תמהה אנשים כבר זמן רב. המחקרים הראשונים על מבנה והגדרת הזכוכית בוצעו בשנת 1830, ומאז שונו מושגים רבים עם התפתחות המדע והטכנולוגיה.
בהתחלה, כנראה שהתשובה הראשונה שתעלה בראש היא שזכוכית מוצקה. עם זאת, ספקות מתחילים להתעורר כאשר אנו נתקלים בתהליך הייצור שלה. בואו נבין קצת יותר על זה?
ישנן מספר שיטות לייצור זכוכית, כגון שקיעת אדים כימית, פירוליזה, הקרנת נויטרונים, תהליך סול-ג'ל, בין היתר. התהליך הנפוץ ביותר כיום הוא השיטה הקלאסית של התכה / קירור.
כפי שהשם מרמז, בתהליך זה מביאים תערובת של חומרי אבקה לתנור, בטמפרטורה של סביב 1500 מעלות צלזיוס. בתנור זה התערובת נמסה (עוברת ממוצק לנוזל) ויוצרת מסה דביקה עם צמיגות דומה לזו של דבש. זכוכית זו מוסרת מכבשן ההיתוך ועוצבה כשהיא מקוררת, ומגיעה למבנה הנוקשה שאנו מכירים.
שלבי ייצור זכוכית בעבודת יד
בדרך כלל החומרים המשמשים בתערובת הזכוכית כחומרי גלם להכנת זכוכית הם סיליקה או דו תחמוצת הסיליקון (SiO2 ), הקיים בחול, אך במפעלים נהוג להשתמש בצורת גבישי אחרת של דו תחמוצת הסיליקון, שהיא קוורץ; ה סודה או סודה (נתרן פחמתי - Na
2שיתוף3) זה ה גיר (סידן פחמתי - CaCO3). שלושת החומרים האלה נמעכים והופכים לאבקה, ואז מערבבים אותם בפרופורציה הנכונה.המסה נוצרה עם היתוך מורכב מסיליקת נתרן וסידן:
אפר + גיר + חול → זכוכית רגילה + פחמן דו חמצני
בְּ2שיתוף3 + CaCO3 + SiO2 → נתרן וסידן סידן + פחמן דו חמצני
x ב2שיתוף3 + y CaCO3 + z SiO2 → (בְּ2O)איקס . (CaCO)y. (SiO2)z+ (x + y) CO2
בתעשיות נהוג להוסיף לתערובת זכוכית שבורה שהיא אמצעי מיחזור זכוכית.
אומנם מוזכרים כאן רק חומרים אנאורגניים, אך ישנן גם משקפיים העשויים מחומרים אורגניים ומתכתיים.
אל תפסיק עכשיו... יש עוד אחרי הפרסום;)
בניתוח תהליך זה, יש מי שחושב שהכוס תהיה נוזלית, מכיוון שהיא יוצאת כנוזל הומוגני לאחר התכה בתנור. למרות זאת, זכוכית אינה מסווגת כנוזל ולא כמוצק בלבד, אלא כמוצק שאינו גבישי. ככה???
כדי להבין, בואו נשווה משקפיים לקריסטלים. אלה, באופן כללי, מוצקים גבישיים, כלומר הם מציגים מבנה שסידור האטומים שלו הוא תקופתי וסימטרי.
ייצוג המחשה של מוצק גבישי עם סידור גבישי סימטרי ותקופתי
לעומת זאת, לזכוכית אין סידור אטומי עם סימטריה ומחזוריות תרגומית, אלא נוצר על ידי רשת תלת ממדית מורחבת ואקראית, כפי שמוצג באיור הבא:
ייצוג המחשה של רשת הזכוכית (מוצק שאינו גבישי) בו מאופיין היעדר סימטריה ומחזוריות
על סמך זה, יש הטוענים כי זכוכית היא מוצק אמורפי. למרות זאת, למרות שמוצקים אמורפיים הם גם מוצקים שאינם גבישיים, הם שונים ממשקפיים. בעוד שמשקפיים עוברים מעבר זכוכית, אין למוצקים אמורפיים תופעה זו.
לפיכך, אנו יכולים להגדיר משקפיים כמוצקים שאינם גבישיים בעלי מעבר זכוכית. אבל מה זה א מעבר זכוכית?
כאשר מקררים את הזכוכית המותכת, לוקח קצת זמן עד שיחידות היוצרות מתמקדות כך שהן מסודרות וכך יוצרות את הגביש. תופעה זו מתרחשת בטווח טמפרטורות הנקרא מעבר זכוכית. זהו טווח טמפרטורות שמתחיל בהרפיה מבנית, כלומר כשהן מתחילות שינויים מתרחשים בחלק מתכונות החומר, כגון צמיגות, קיבולת חום והתפשטות תֶרמִי.
לפיכך, טמפרטורת מעבר הזכוכית מגדירה את המעבר ממצב הזגוגי למצב הוויסקואליסטי. הכוונה היא לחומרים שכאשר מפעילים כוח מגיבים באלסטיות, אך לא באופן מיידי או לצמיתות. מצב הזגוגית תואם התנהגות שבה, כאשר אנו מפעילים כוח על החומר, הוא אינו מגיב באלסטיות - הוא אינו מעוות - אלא סופג ומפזר אנרגיה. אז התוצאה היא שהגוף מתקלקל.
כאשר קירור זה מתבצע במהירות (מה שקורה עם זכוכית), היחידות מאבדות ניידות לפני שהן מתארגנות, והתגבשות אינה מתרחשת. זה אומר ש קירור הזכוכית מתרחש בטמפרטורה מתחת לטמפרטורת מעבר הזכוכית. אם הטמפרטורה גבוהה מטמפרטורת מעבר הזכוכית (האופיינית למשקפיים), לחומר תהיה התנהגות ויסקו-אלסטית.
מאת ג'ניפר פוגאצה
בוגר כימיה
