Кремнезем имеет серьезные недостатки. Ковалентные связи так прочно держат его структуру, что до тех пор, пока температура не поднимется до 1650 °С, он не расплавится. Это выше температуры плавления большинства металлов, включая железо и сталь.
Конечно, можно изготовить чистое кварцевое стекло, но это вещь особенная и недешевая. Поэтому стекло часто содержит различные добавки - химические вещества, которые понижают его температуру плавления и облегчают производственный процесс.
В стекло для окон обычно добавляют оксид натрия (Na20). В нем тоже есть атом кислорода, но связи между атомами в молекуле не ковалентные, а ионные. Ионная связь образуется, когда атомы превращаются в противоположно заряженные ионы, которые притягиваются друг к другу.
В данном случае каждый атом кислорода забирает по электрону у двух ближайших атомов натрия, и образуется смесь отрицательно заряженных ионов кислорода и положительно заряженных ионов натрия.
Если добавить к кремнезему оксид натрия и нагреть их вместе, смесь будет плавиться при более низкой температуре, чем оба ее ингредиента. Смесь, температура плавления которой меньше температур плавления отдельных компонентов, называется эвтектической смесью. Когда содержание оксида натрия достигает 25% по весу, такая смесь плавится всего лишь при 793 °С.
Не менее примечательно и то, что мелкодисперсная шихта из порошкообразных кремнезема и оксида натрия тоже плавится примерно при такой же температуре. В процессе плавки кремнезема оксид натрия выступает в роли флюса, благодаря чему производителям стекла нет нужды нагревать шихту до температуры плавления кремнезема.
Причина понижения температуры плавления смеси оксидов натрия и кремния - атомы натрия в смеси служат донорами электронов для атомов кислорода, и вещество насыщается положительно заряженными ионами натрия и отрицательно заряженными ионами кислорода.
Здесь заряд иона кислорода равен 1. Но иону кислорода, имеющему лишний электрон, для заполнения электронной оболочки нужен только один общий электрон. Поэтому он связывается только с одним атомом кремния, а мостика между двумя атомами кремния не образует.
В натриевом стекле много таких концевых атомов кислорода, на которых структурная сетка рвется. Они ослабляют стекло и понижают его температуру плавления. Хотя снижение температуры плавления играет важную роль в производстве стекла, натриевое стекло уступает чистому кварцевому почти во всех отношениях.
Оно мягче и не такое прочное, поэтому его легче поцарапать и разбить. Из-за более высокого вязкого трения оно теряет энергию при изгибе, а при изломе издает глухой звук. Оно менее устойчиво к химическим воздействиям, чем кварцевое стекло.
Его можно даже растворить в воде. Ионы натрия так хорошо растворяются в воде, что она проникает в молекулярную структуру стекла и расщепляет ее. Поэтому можно приготовить водный раствор натриевого стекла и окрасить им какую-нибудь поверхность. Такой раствор называется жидким стеклом, им покрывают скорлупу яиц, чтобы они не усыхали. Жидкое стекло добавляют в средства для стирки, чтобы защитить стиральные машины от коррозии.
Если в натриевое стекло добавить оксид кальция, или негашеную известь (СаО), его растворимость станет существенно ниже. Оксид кальция - твердое вещество с ионными связями, но он не растворяется в воде и делает стекло гораздо более долговечным.
Известково-натриевое стекло практически нерастворимо, это самое распространенное в торговле и промышленности стекло. Окна, бутылки, банки - все это сделано из известково-натриевого стекла. В обоих случаях кремнезем является стеклообразующим, или структурообразующим агентом, а оксиды натрия и кальция - модификаторами.
Назначение стеклообразователя - создать сложную структурную сетку, которая придает разжиженному материалу большую вязкость и позволяет переохладить всю массу до температуры стеклования.
Роль модификатора - облегчение перехода в стеклообразное состояние и коррекция свойств стекла, которое должно получиться. Что еще важнее, модификатор гарантирует, что стеклообразователь не начнет кристаллизоваться в процессе охлаждения, иначе в производстве возникнет серьезный сбой - расстеклование.
Конечно, можно изготовить чистое кварцевое стекло, но это вещь особенная и недешевая. Поэтому стекло часто содержит различные добавки - химические вещества, которые понижают его температуру плавления и облегчают производственный процесс.
В стекло для окон обычно добавляют оксид натрия (Na20). В нем тоже есть атом кислорода, но связи между атомами в молекуле не ковалентные, а ионные. Ионная связь образуется, когда атомы превращаются в противоположно заряженные ионы, которые притягиваются друг к другу.
В данном случае каждый атом кислорода забирает по электрону у двух ближайших атомов натрия, и образуется смесь отрицательно заряженных ионов кислорода и положительно заряженных ионов натрия.
Если добавить к кремнезему оксид натрия и нагреть их вместе, смесь будет плавиться при более низкой температуре, чем оба ее ингредиента. Смесь, температура плавления которой меньше температур плавления отдельных компонентов, называется эвтектической смесью. Когда содержание оксида натрия достигает 25% по весу, такая смесь плавится всего лишь при 793 °С.
Не менее примечательно и то, что мелкодисперсная шихта из порошкообразных кремнезема и оксида натрия тоже плавится примерно при такой же температуре. В процессе плавки кремнезема оксид натрия выступает в роли флюса, благодаря чему производителям стекла нет нужды нагревать шихту до температуры плавления кремнезема.
Причина понижения температуры плавления смеси оксидов натрия и кремния - атомы натрия в смеси служат донорами электронов для атомов кислорода, и вещество насыщается положительно заряженными ионами натрия и отрицательно заряженными ионами кислорода.
Здесь заряд иона кислорода равен 1. Но иону кислорода, имеющему лишний электрон, для заполнения электронной оболочки нужен только один общий электрон. Поэтому он связывается только с одним атомом кремния, а мостика между двумя атомами кремния не образует.
В натриевом стекле много таких концевых атомов кислорода, на которых структурная сетка рвется. Они ослабляют стекло и понижают его температуру плавления. Хотя снижение температуры плавления играет важную роль в производстве стекла, натриевое стекло уступает чистому кварцевому почти во всех отношениях.
Оно мягче и не такое прочное, поэтому его легче поцарапать и разбить. Из-за более высокого вязкого трения оно теряет энергию при изгибе, а при изломе издает глухой звук. Оно менее устойчиво к химическим воздействиям, чем кварцевое стекло.
Его можно даже растворить в воде. Ионы натрия так хорошо растворяются в воде, что она проникает в молекулярную структуру стекла и расщепляет ее. Поэтому можно приготовить водный раствор натриевого стекла и окрасить им какую-нибудь поверхность. Такой раствор называется жидким стеклом, им покрывают скорлупу яиц, чтобы они не усыхали. Жидкое стекло добавляют в средства для стирки, чтобы защитить стиральные машины от коррозии.
Если в натриевое стекло добавить оксид кальция, или негашеную известь (СаО), его растворимость станет существенно ниже. Оксид кальция - твердое вещество с ионными связями, но он не растворяется в воде и делает стекло гораздо более долговечным.
Известково-натриевое стекло практически нерастворимо, это самое распространенное в торговле и промышленности стекло. Окна, бутылки, банки - все это сделано из известково-натриевого стекла. В обоих случаях кремнезем является стеклообразующим, или структурообразующим агентом, а оксиды натрия и кальция - модификаторами.
Назначение стеклообразователя - создать сложную структурную сетку, которая придает разжиженному материалу большую вязкость и позволяет переохладить всю массу до температуры стеклования.
Роль модификатора - облегчение перехода в стеклообразное состояние и коррекция свойств стекла, которое должно получиться. Что еще важнее, модификатор гарантирует, что стеклообразователь не начнет кристаллизоваться в процессе охлаждения, иначе в производстве возникнет серьезный сбой - расстеклование.