Is glas vast of vloeibaar? Heb je deze vraag ooit gehoord? Deze vraag houdt mensen al lang bezig. De eerste onderzoeken naar de structuur en definitie van glas werden uitgevoerd in 1830 en sindsdien zijn veel concepten veranderd naarmate de wetenschap en technologie zich ontwikkelden.
In eerste instantie zou het eerste antwoord dat in je opkomt waarschijnlijk zijn dat glas massief is. Er beginnen echter twijfels te ontstaan wanneer we het productieproces tegenkomen. Laten we hier iets meer van begrijpen?
Er zijn verschillende methoden voor glasproductie, zoals chemische dampafzetting, pyrolyse, neutronenbestraling, sol-gel-proces, onder andere. Het meest gebruikte proces van vandaag is de klassieke methode van smelten/afkoelen.
Zoals de naam al aangeeft, wordt bij dit proces een mengsel van poedervormige stoffen in een oven gebracht, op een temperatuur van ongeveer 1500ºC. In deze oven smelt het mengsel (gaat van vast naar vloeibaar) en vormt een pasteuze massa met een viscositeit vergelijkbaar met die van honing. Dit glas wordt vervolgens uit de smeltoven verwijderd en gevormd terwijl het wordt afgekoeld, tot de stijve structuur die we kennen.
Handgemaakt glas fabricagestappen
Over het algemeen zijn de stoffen die in het glasmengsel worden gebruikt als grondstof voor de bereiding van glas de siliciumdioxide of siliciumdioxide (SiO2 ), die in het zand aanwezig is, maar in fabrieken is het gebruikelijk om een andere kristallijne vorm van siliciumdioxide te gebruiken, namelijk kwarts; De soda of soda (natriumcarbonaat - Na2CO3) het is de kalksteen (calciumcarbonaat - CaCO3). Deze drie materialen worden vermalen en in poeder omgezet en vervolgens in de juiste verhouding gemengd.
De massa gevormd met de fusie bestaat uit natrium- en calciumsilicaten:
as + kalksteen + zand → gewoon glas + koolstofdioxide
Bij2CO3 + CaCO3 + SiO2 → natrium- en calciumsilicaten + kooldioxide
x In2CO3 + y CaCO3 + z SiO2 → (Bij2O)X . (CaCO)j . (SiO2)z+ (x + y) CO2
In industrieën is het gebruikelijk om gebroken glas aan het mengsel toe te voegen, wat een middel is om: glas recycling.
Hoewel hier alleen anorganische stoffen worden genoemd, zijn er ook glazen gemaakt van organische en metalen materialen.
Niet stoppen nu... Er is meer na de reclame ;)
Bij het analyseren van dit proces zouden sommigen kunnen denken dat het glas vloeibaar zou zijn, omdat het eruit komt als een homogene vloeistof na het smelten in de oven. Echter, glas wordt niet geclassificeerd als een vloeistof of alleen als een vaste stof, maar als een niet-kristallijne vaste stof. Soortgelijk???
Laten we, om dit te begrijpen, een bril met kristallen vergelijken. Dit zijn in het algemeen kristallijne vaste stoffen, dat wil zeggen dat ze een structuur hebben waarvan de rangschikking van atomen periodiek en symmetrisch is.
Illustratieve weergave van kristallijne vaste stof met symmetrische en periodieke kristallijne rangschikking
Glas daarentegen heeft geen atomaire rangschikking met symmetrie en translationele periodiciteit, maar wordt gevormd door een uitgebreid en willekeurig driedimensionaal netwerk, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:
Illustratieve weergave van het glasnetwerk (niet-kristallijne vaste stof) waar de afwezigheid van symmetrie en periodiciteit wordt gekarakteriseerd
Op basis hiervan beweren sommigen dat glas een amorfe vaste stof is. Echter, hoewel amorfe vaste stoffen ook niet-kristallijne vaste stoffen zijn, verschillen ze van glazen. Terwijl glazen een glasovergang hebben, hebben amorfe vaste stoffen dit fenomeen niet.
We kunnen glazen dus definiëren als niet-kristallijne vaste stoffen met een glasovergang. Maar wat is een glas overgang?
Wanneer het gesmolten glas wordt afgekoeld, duurt het enige tijd voordat de vormingseenheden zich oriënteren zodat ze georganiseerd zijn en zo het kristal vormen. Dit fenomeen doet zich voor in een temperatuurbereik genaamd glasovergang. Dit is een temperatuurbereik dat begint met structurele ontspanning, dat wil zeggen, wanneer ze beginnen te er treden veranderingen op in sommige materiaaleigenschappen, zoals viscositeit, warmtecapaciteit en uitzetting thermisch.
De glasovergangstemperatuur bepaalt dus de overgang van de glasachtige toestand naar de visco-elastische toestand. Dit verwijst naar materialen die bij het uitoefenen van een kracht elastisch reageren, maar niet onmiddellijk of permanent. De glasachtige toestand komt overeen met een gedrag waarbij, wanneer we een kracht op het materiaal uitoefenen, het niet elastisch reageert - het vervormt niet - maar energie absorbeert en dissipeert. Het resultaat is dus dat het lichaam afbreekt.
Wanneer deze koeling snel gebeurt (wat bij glas het geval is), verliezen de units hun mobiliteit voordat ze zichzelf organiseren en treedt er geen kristallisatie op. Dit betekent dat de glaskoeling vindt plaats bij een temperatuur beneden de glasovergangstemperatuur. Als de temperatuur hoger is dan de glasovergangstemperatuur (die kenmerkend is voor glas), zal het materiaal een visco-elastisch gedrag vertonen.
Door Jennifer Fogaça
Afgestudeerd in scheikunde
