Czy szkło jest stałe czy płynne? Czy kiedykolwiek słyszałeś to pytanie? To pytanie od dawna intrygowało ludzi. Pierwsze badania nad strukturą i definicją szkła przeprowadzono w 1830 roku i od tego czasu wiele koncepcji zostało zmienionych wraz z rozwojem nauki i techniki.
Na początku prawdopodobnie pierwszą odpowiedzią, jaka przyszłaby do głowy, byłoby to, że szkło jest solidne. Wątpliwości pojawiają się jednak, gdy spotykamy się z procesem jego wytwarzania. Zrozumiemy trochę więcej na ten temat?
Istnieje kilka metod produkcji szkła, między innymi chemiczne osadzanie z fazy gazowej, piroliza, napromienianie neutronami, proces zol-żel. Najczęściej stosowanym obecnie procesem jest klasyczna metoda topienie/chłodzenie.
Jak sama nazwa wskazuje, w tym procesie mieszanina sproszkowanych substancji trafia do pieca o temperaturze około 1500ºC. W tym piekarniku mieszanina topi się (przechodzi ze stanu stałego w płyn) i tworzy pastowatą masę o lepkości zbliżonej do lepkości miodu. Szkło to jest następnie wyjmowane z pieca do topienia i kształtowane podczas chłodzenia, osiągając sztywną strukturę, którą znamy.
Ręcznie robione kroki w produkcji szkła
Ogólnie rzecz biorąc, substancje stosowane w mieszaninie szkła jako surowce do przygotowania szkła to krzemionka lub dwutlenek krzemu (SiO2 ), który jest obecny w piasku, ale w fabrykach zwyczajowo używa się innej krystalicznej postaci dwutlenku krzemu, którą jest kwarc; soda lub soda (węglan sodu - Na2WSPÓŁ3) to jest wapień (węglan wapnia - CaCO3). Te trzy materiały są kruszone i zamieniane na proszek, a następnie mieszane w odpowiedniej proporcji.
Masa utworzona podczas fuzji składa się z krzemianów sodu i wapnia:
popiół + wapień + piasek → zwykłe szkło + dwutlenek węgla
W2WSPÓŁ3 + CaCO3 + SiO2 → krzemiany sodu i wapnia + dwutlenek węgla
x In2WSPÓŁ3 + y CaCO3 + z SiO2 → (W2O)x . (CaCO)y . (SiO2)z+ (x + y) CO2
W przemyśle powszechne jest dodawanie do mieszanki potłuczonego szkła, co jest sposobem na recykling szkła.
Chociaż wymienia się tu tylko substancje nieorganiczne, istnieją również szkła wykonane z materiałów organicznych i metalicznych.
Analizując ten proces, niektórzy mogą pomyśleć, że szkło będzie płynne, ponieważ po stopieniu w piecu wychodzi jako jednorodna ciecz. Jednak, szkło nie jest klasyfikowane ani jako ciecz, ani tylko jako ciało stałe, ale jako niekrystaliczne ciało stałe. Lubię to???
Aby zrozumieć, porównajmy okulary do kryształów. Są to na ogół ciała krystaliczne, to znaczy mają strukturę, której układ atomów jest okresowy i symetryczny.
Ilustracyjna reprezentacja krystalicznego ciała stałego o symetrycznym i okresowym układzie krystalicznym
Z drugiej strony szkło nie ma układu atomowego z symetrią i okresowością translacyjną, ale jest utworzone przez rozszerzoną i losową trójwymiarową sieć, jak pokazano na poniższej ilustracji:
Ilustracyjna reprezentacja sieci szkła (ciało niekrystaliczne), w której charakteryzuje się brak symetrii i okresowości
Na tej podstawie niektórzy twierdzą, że szkło jest amorficznym ciałem stałym. Jednak, chociaż amorficzne ciała stałe są również ciałami stałymi niekrystalicznymi, różnią się one od szkieł. Podczas gdy szkła mają przejście szkliste, amorficzne ciała stałe nie mają tego zjawiska.
Tak więc możemy zdefiniować szkła jako niekrystaliczne ciała stałe, które mają przejście szkliste. Ale co to jest? zeszklenie?
Gdy stopione szkło jest schładzane, jednostki formujące potrzebują trochę czasu, aby zorientować się tak, aby były zorganizowane i w ten sposób utworzyły kryształ. Zjawisko to występuje w zakresie temperatur zwanym przejście szklane. Jest to zakres temperatur, który zaczyna się od relaksacji strukturalnej, to znaczy, kiedy zaczynają zmiany zachodzą w niektórych właściwościach materiałów, takich jak lepkość, pojemność cieplna i rozszerzalność termiczny.
Zatem temperatura zeszklenia określa przejście ze stanu szklistego do stanu lepkosprężystego. Odnosi się to do materiałów, które po przyłożeniu siły reagują elastycznie, ale nie natychmiast lub trwale. Stan szklisty odpowiada zachowaniu, w którym po przyłożeniu siły do materiału materiał nie reaguje elastycznie — nie odkształca się — ale pochłania i rozprasza energię. W rezultacie ciało się rozpada.
Gdy to chłodzenie odbywa się szybko (co ma miejsce w przypadku szkła), jednostki tracą mobilność, zanim się zorganizują, a krystalizacja nie następuje. To znaczy że chłodzenie szkła odbywa się w temperaturze poniżej temperatury zeszklenia. Jeżeli temperatura jest wyższa niż temperatura zeszklenia (charakterystyczna dla szkieł), materiał będzie miał zachowanie lepkosprężyste.
Jennifer Fogaça
Absolwent chemii
Źródło: Brazylia Szkoła - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/o-vidro-solido-ou-liquido.htm
