2.2. Szkło – tworzywo o długich tradycjach i jeszcze większej przyszłości

Codziennie, począwszy od spojrzenia przez okno, posługujesz się wyrobami ze szkła, gdy się obudzisz. A czy potrafisz określić, ile przedmiotów w twoim domu jest wykonanych z tego materiału? Dlaczego szkło mimo upływu tylu lat nadal nas fascynuje? Dlaczego wraca się do szklanych opakowań? Czy można sobie wyobrazić współczesną cywilizację bez szkła?

Już wiesz: 

  • że węglany po długotrwałym ogrzewaniu ulegają rozkładowi;
  • że niektóre tlenki zasadowe reagują z tlenkami kwasowymi, tworząc sole (jedyne produkty tej reakcji).

Nauczysz się: 

  • badać właściwości szkła;
  • wymieniać rodzaje szkła;
  • opisywać proces produkcji szkła;
  • uzasadniać zastosowanie różnych rodzajów szkła.

1. Czym jest szkło?

Szkło jest materiałem bezpostaciowym, którego głównym składnikiem jest tlenek krzemu(IV). Otrzymuje się je w wyniku topienia piasku kwarcowego, węglanu wapnia i węglanu sodu w temperaturze ok. 1500°C. Szklistą masę ochładza się, bez krystalizacji. Rozmieszczenie podstawowych elementów strukturalnych szkła różni się od struktury kwarcu i przypomina raczej rozmieszczenie drobin w cieczy. W odróżnieniu jednak od cieczy drobiny te nie mają możliwości swobodnego przemieszczania się z powodu dużej lepkości tego materiału. Szkło ma strukturę bezpostaciową.

2. Proces produkcji szkła

Szkło jest pierwszym i najpopularniejszym tworzywem sztucznie wytworzonym przez człowieka. Szkła krzemianowego używa się do wyrobu szyb, szklanych naczyń i urządzeń optycznych. Podstawowymi surowcami do jego produkcji są: piasek kwarcowy (SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów), wapień (CaCO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów) i soda (Na IndeksDolny 2 KoniecIndeksów CO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów). Cennym dodatkiem jest stłuczka szklana.
Do podstawowej masy szklanej dodaje się często takie tlenki, jak np. tlenek glinu (zwiększa właściwości mechaniczne, chemiczne i termiczne szkła), tlenek cynku (powoduje wzrost odporności szkła na nagłe zmiany temperatury przez obniżenie współczynnika rozszerzalności cieplnej), tlenek boru (zwiększa szybkość topienia, ułatwia klarowanie oraz zmniejsza skłonność masy szklanej do krystalizacji).
Dokładnie odważone, zmielone i wymieszane surowce ogrzewa się w piecu szklarskim (wielka wanna wyłożona ogniotrwałą gliną) do temperatury 1200-1500°C. W tak wysokiej temperaturze węglany ulegają rozkładowi:
Ca CO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów strzałka-w-prawo IndeksNad temp. KoniecIndeksów CaO + CO IndeksDolnyGórny 2 KoniecIndeksów i Na IndeksDolny 2 KoniecIndeksów CO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów strzałka-w-prawo IndeksNad temp. KoniecIndeksów Na IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O + CO IndeksDolnyGórny 2 KoniecIndeksów
Powstałe tlenki metali reagują z tlenkiem krzemu(IV), tworząc mieszaninę krzemianów:
CaO + SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów → CaSiO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów i Na IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O + SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów → Na IndeksDolny 2 KoniecIndeksów SiO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów
Gorącą masę szklaną ochładza się do temperatury ok. 1000°C, wówczas uzyskuje ona lepkość odpowiednią dla wybranej metody formowania.
Gotowe wyroby ogrzewa się do temperatury około 500°C i wolno ochładza. Etap ten, nazywany odprężaniem, ma na celu usunięcie naprężeń wewnętrznych. Po odprężeniu niektóre wyroby ze szkła są zdobione. Dotyczy to np. szkła kryształowego. Zdobnicy za pomocą specjalnych urządzeń i tarczy diamentowych wykonują oryginalne żłobienia (szlify), a grawerzy ręcznie tworzą niepowtarzalne obrazy (grawery). Wychłodzone wyroby szklane poddaje się procesowi uszlachetniania na zimno, dzięki któremu stają się jeszcze bardziej błyszczące. Zanim wyrób szklany trafi na sklepową półkę, jest poddawany kontroli jakości, pakowany, foliowany, magazynowany lub od razu wysyłany do odbiorcy.

Polecenie 2.2.1.

Wymień zasady recyklingu szkła.

Wskazówka

Dlaczego szklane opakowania segreguje się w różnych pojemnikach albo oddzielnych workach? Jakich przedmiotów ze szkła nie wolno wrzucać do tych pojemników/worków? Dlaczego?

3. Właściwości szkła

Szyby okienne, szklanki, talerzyki i inne naczynia, szyby samochodowe czy różne ozdoby – to zaledwie kilka przykładów szkła używanego na co dzień. Specjalnego szkła używa się do produkcji wielkich luster teleskopowych i mikroskopów lub np. kabin prysznicowych. W ścianach budynków montuje się szkło budowlane i szklane cegły, a w kominkach – szkło żaroodporne. Szkło kuloodporne jest wytrzymałe na uderzenia pocisków, np. z karabinów maszynowych. O właściwościach szkła decydują różne czynniki, które można zmieniać, tworząc nowe produkty. Należą do nich: skład szkła, jego struktura, powierzchnia oraz rodzaje cienkich warstw nanoszonych na tę powierzchnię. W życiu codziennym najczęściej korzystamy ze szkła bezbarwnego. Barwne szkło można otrzymać przez dodanie do masy szklanej (w czasie jej topienia) związków metali ciężkich, tj.: żelaza, chromu, manganu, niklu, miedzi i innych.

Doświadczenie 2.2.1. Badanie wybranych właściwości fizycznych szkła

Problem badawczy:  
Jakie właściwości fizyczne wykazuje szkło?
Hipoteza: 
Szkło charakteryzuje się małą odpornością na różne czynniki mechaniczne i zmiany temperatury. Nie przewodzi prądu elektrycznego i ciepła.
Co będzie potrzebne: 
  • rurki szklane,
  • cegła,
  • kawałek grubej tkaniny,
  • młotek,
  • palnik,
  • zlewka z zimną wodą,
  • płaska bateria,
  • żarówka w oprawie,
  • przewody z zaciskami typu krokodylki.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Rurkę szklaną owiń szczelnie tkaniną, a następnie sprawdź wytrzymałość tej rurki na ściskanie, rozciąganie i zginanie. Połóż ją na cegle i uderz młotkiem. Przyjrzyj się otrzymanym kawałkom szkła, porównaj ich wielkość i zwróć uwagę na krawędzie.
  2. 2.
    Jeden z końców szklanej rurki ogrzej w płomieniu palnika, po czym zanurz go w zlewce z zimną wodą.
  3. 3.
    Szklaną rurkę umieść w płomieniu palnika i po chwili sprawdź, czy daje się ją zgiąć i rozciągnąć. Zwróć uwagę na zmianę barwy płomienia podczas ogrzewania.
  4. 4.
    Zbuduj obwód elektryczny, składający się z: płaskiej baterii, żarówki w oprawie, przewodów elektrycznych zakończonych krokodylkami. Umieść w nim szklaną rurkę. Obserwuj, czy po zamknięciu obwodu płynie prąd elektryczny, czyli czy żarówka zaświeciła się, czy też nie.
Podsumowanie: 
Szkło bezbarwne dobrze przepuszcza światło. Wykazuje dużą odporność na ściskanie, lecz niewielką wytrzymałość na rozciąganie, zginanie i uderzenie. Wskutek uderzenia rozpada się na nieregularne kawałki o ostrych krawędziach. Szkło można stosunkowo łatwo zarysować. Nie wykazuje ściśle określonej temperatury topnienia, ale mięknie w pewnym przedziale temperatur i wówczas z łatwością może zmienić kształt. Podczas ogrzewania szkła płomień palnika barwi się na żółto. O obecności związków jakiego pierwiastka świadczy ta barwa? Po zanurzeniu gorącej rurki w zimnej wodzie szkło pęka na drobne kawałki, co oznacza, że w jego wewnętrznej strukturze powstały duże naprężenia. Szkło jest izolatorem elektrycznym, a także złym przewodnikiem ciepła. Jego przewodnictwo cieplne jest ok. 500 razy mniejsze niż miedzi.

Polecenie 2.2.2.

Jakie warunki musi spełniać szkło użyte do budowy takiego obiektu, jaki powstał nad Kanionem Kolorado? Jest to szklana platforma w kształcie podkowy, wystająca 20 metrów poza krawędź urwiska. Dlaczego przed wejściem na tę platformę należy założyć specjalne ochraniacze na buty?

Wskazówka

Dlaczego na platformie może przebywać docelowo maksymalnie 20 osób? Przypomnij sobie doświadczenie z poprzedniej lekcji, podczas którego porównywaliśmy twardość szkła okiennego i kwarcu. Jaką twardość w 10-stopniowej skali twardości Mohsa wykazuje szkło (okienne), a jaką – kwarc?

Ciekawostka

Wytrzymałość szkła na ściskanie jest bardzo wysoka. Wynosi 1000 N/mm2, czyli 1000 MPa, co oznacza, że rozbicie sześciennej szklanej kostki o długości krawędzi równej 1 cm wymaga obciążenia rzędu 10 ton.

Doświadczenie 2.2.2.  [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ]Badanie reaktywności szkła

Problem badawczy:  
Badanie odporności szkła na działanie wody, kwasów i wodorotlenków.
Hipoteza: 
Szkło jest materiałem odpornym na działanie wody, kwasów i wodorotlenków.
Co będzie potrzebne: 
  • kawałki potłuczonego szkła (z poprzedniego doświadczenia),
  • 4 przezroczyste pojemniki z polipropylenu,
  • kwas solny,
  • stężony roztwór wodorotlenku sodu,
  • roztwór kwasu fluorowodorowego,
  • woda.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do każdego z czterech pojemników wrzucamy kawałki szkła.
  2. 2.
    Do pierwszego pojemnika dodajemy wodę, do drugiego – stężony roztwór wodorotlenku sodu, do trzeciego – ok. 10% kwasu solnego, a do czwartego – roztwór kwasu fluorowodorowego.
  3. 3.
    Pojemniki zakręcamy i pozostawiamy badane próbki na kilka dni.
Podsumowanie: 
Z chemicznego punktu widzenia szkło jest materiałem odpornym na działanie wody, wodorotlenków i kwasów. Jedynie kwas fluorowodorowy i stężone roztwory zasad mogą reagować z powierzchnią szkła, powodując jego zmatowienie.

Polecenie 2.2.3.

Dlaczego szklanego pojemnika, w którym przechowujemy wodorotlenek sodu, nie należy zamykać szklanym korkiem?

Wskazówka

Który związek chemiczny jest podstawowym składnikiem szkła? Z którymi tlenkami reagują wodorotlenki?

4. Rodzaje szkła i jego zastosowanie

Szkło jest materiałem znanym i stosowanym od dawna, a jednocześnie nowoczesnym – z coraz większą przyszłością. Ze względu na skład chemiczny wyróżnia się szkło: sodowe, potasowe, borowo-krzemowe, ołowiowe – kryształowe, kwarcowe. Każdy rodzaj szkła ma określone właściwości i wynikające z nich zastosowanie.

Ciekawostka

Innym rodzajem szkła kryształowego jest tzw. czeski kryształ. Jest to szkło sodowo-potasowe z wyższą zawartością tlenku potasu niż sodu. Głównymi surowcami stosowanymi przy produkcji takiego szkła są: piasek szklarski, soda, potaż (węglan potasu), wapień i tlenek baru. Duży współczynnik załamania światła i wysoka jakość tego szkła powodują, że jest ono używane do wytwarzania ozdobnych naczyń i eleganckiej biżuterii.

Polecenie 2.2.4.

Wyjaśnij, dlaczego wyroby z czeskiego kryształu mają o wiele mniejszą masę niż wyroby wykonane ze szkła kryształowego?

Wskazówka

Które tlenki są głównymi składnikami czeskiego kryształu, a które – szkła kryształowego? Porównaj gęstości pierwiastków tworzących te tlenki.
Ze względu na przeznaczenie wyróżnia się szkło budowlane (szkło płaskie – szyby, zbrojone, hartowane, watę szklaną, szkło wodne), techniczne (szkło optyczne, laboratoryjne, elektrotechniczne, sanitarne, oświetleniowe), gospodarcze (kryształowe, naczynia żaroodporne, szkło stołowe) i opakowania szklane.
Szkło określane jako bezpieczne to: szkło hartowane, laminowane z folią lub klejone, zbrojone i inne (wzmacniane chemicznie, foliowane, szyby ognioodporne).
Dynamiczny rozwój techniki w pierwszej połowie XIX wieku wywołał konieczność dostarczenia dla przemysłu szkieł charakteryzujących się wysoką wytrzymałością mechaniczną, odpornością chemiczną i odpornością na zmiany temperatury, odpowiednią twardością powierzchniową, współczynnikiem rozszerzalności cieplnej itp. Obecne wymagania stawiane wyrobom szklanym są znacznie większe. Produkuje się m.in. szkło refleksyjne, elektroprzewodzące, ceramiczne, nieprzezroczyste, samoczyszczące. Ze szkła produkowane są wyroby takie, jak np. pustaki szklane czy wełna szklana. Włóknami ze szkła wzmacnia się tworzywa sztuczne. Powstaje wówczas materiał zwany kompozytem, stosowany do budowy karoserii samochodowych.

Ciekawostka

Szkło samoczyszczące to szkło elewacyjne wyposażone w bardzo trwałą powłokę z tlenku tytanu(IV). Wskutek oddziaływania promieni UV nagromadzone na powierzchni szkła zanieczyszczenia organiczne ulegają rozpadowi, a zabrudzenia mineralne tracą swoją przyczepność. „Osłabione” zanieczyszczenia zostają z łatwością zmyte z powierzchni szyb w czasie deszczu. „Samoczyszczenie” nie oznacza, że szkło nie wymaga w ogóle mycia, zwłaszcza w strefach o dużym zanieczyszczeniu.

Polecenie 2.2.5.

Opisz, jak dzięki szybom można chronić zdrowie, życie i mienie.

Wskazówka

Jak zmniejszyć częstotliwość dźwięków, na które są bardzo wrażliwe nasze uszy (1000–5000 Hz)? Co zrobić, aby okna nie były słabym punktem naszego mieszkania? Z jakiego szkła są wykonane szyby w samochodach? Jakie szkło jest montowane w piekarnikach i kominkach, a jakie – w oknach wystawowych? Jakiego szkła powinno się używać do budowy ewakuacyjnych klatek schodowych?
Od wieków szkło gości w naszych domach nie tylko za sprawą szklarzy, którzy montowali i nadal wprawiają szyby w oknach, ale także dzięki różnym naczyniom i przedmiotom wykonanym ze szkła. Im bardziej nowoczesne wnętrze, tym więcej szklanych elementów. Wzrasta też skala zastosowania tego materiału w budownictwie.

Ciekawostka

Lustro fenickie (w języku potocznym nazywane lustrem weneckim) to odmiana lustra, które odbija część światła, a część przepuszcza. Jest to szyba pokryta cienką warstwą metalu, zazwyczaj umieszczona między dwoma pomieszczeniami – jedno z nich jest przyciemnione, a drugie – jasno oświetlone. Osoby znajdujące się w jasno oświetlonym pomieszczeniu widzą własne odbicie. Natomiast w ciemnym pomieszczeniu światło przechodzące przez lustro ma znacznie większe natężenie niż to odbite, zatem osoby znajdujące się w nim mogą swobodnie obserwować jaśniejsze pomieszczenie jak przez szybę. Dla wzmocnienia efektu lustra fenickiego używa się czasem szyb przyciemnianych. Najbardziej znane zastosowanie tego typu szkła to okazanie świadkom osób podejrzanych. Różnica w natężeniu oświetlenia między jednym a drugim pomieszczeniem powinna wynosić 8 : 1, dzięki temu uzyskamy pożądany efekt – z jednej strony lustro, a z drugiej – zwykłe okno.

Podsumowanie

  • Szkło to materiał bezpostaciowy otrzymywany przez stopienie mieszaniny piasku, węglanu sodu i węglanu wapnia oraz stłuczki. Do masy szklanej wprowadza się również dodatkowe substancje, które mają wpływ na właściwości szkła.
  • O szerokim zastosowaniu szkła w technice i w różnych dziedzinach życia decydują jego właściwości, takie jak np.: duża twardość, przezroczystość, niska przewodność cieplna i elektryczna, duża odporność chemiczna, brak ograniczeń co do kształtu.
  • Ze względu na skład chemiczny wyróżnia się szkło: sodowe, potasowe, borowo-krzemowe, ołowiowe, kwarcowe, wodne.
  • Rodzaje szkła wyróżniane ze względu na jego przeznaczenie: budowlane, techniczne, gospodarcze, opakowaniowe.
  • Rodzajami tzw. szkła bezpiecznego są: zbrojone, hartowane, klejone, laminowane i inne.

Praca domowa

Polecenie 2.2.6.

Problem 1.
Korzystając z dostępnych źródeł informacji, uzasadnij tezę: "Nowoczesne szkło budowlane stwarza wiele możliwości i może zaspokoić oczekiwania nawet bardzo wymagającego klienta". W uzasadnieniu uwzględnij właściwości i wynikające z nich zastosowanie szkła refleksyjnego, nieprzezroczystego, piankowego, polikrystalicznego. Czym charakteryzują się szyby zespolone?
Problem 2.
Gęstość szkła wynosi 2,5 g/cm3. Jaką masę ma tafla szkła płaskiego o powierzchni 1m2 i grubości 4 mm?

Słowniczek

Definicja

ciało bezpostaciowe (amorficzne) –
ciało stałe, które nie ma budowy krystalicznej, charakteryzujące się chaotycznym rozmieszczeniem atomów (cząsteczek), podobnie jak w cieczach, z tą jednak różnicą, że atomy (cząsteczki) w tym przypadku nie mogą się swobodnie poruszać

Definicja

izolator elektryczny –
materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego

Definicja

piszczel szklarska –
narzędzie używane przez szklarza (hutnika) do formowania szkła; ma kształt długiej, dość cienkiej rurki; na jednym końcu znajduje się nabel, na który nabiera się z pieca roztopioną masę szkła; na drugim końcu jest ustnik, przez który wydmuchuje się nabraną masę

Definicja

przewodnik elektryczny –
materiał, który dobrze przewodzi prąd elektryczny

Definicja

surowce szklarskie –
piasek, soda, wapień, stłuczka szklana oraz środki barwiące

Definicja

szkło –
tworzywo o nieuporządkowanej strukturze, otrzymywane w wyniku schłodzenia stopionej mieszaniny piasku kwarcowego, wapienia i sody

Definicja

szkło float –
szkło płaskie produkowane metodą „floatowania", czyli równomiernego „rozlewania“ masy szklanej na powierzchni stopionej cyny

Definicja

wełna szklana –
materiał stosowany do izolacji termicznej i akustycznej, otrzymywany w wyniku topienia w temperaturze 1000°C piasku kwarcowego, stłuczki szklanej z dodatkiem skał takich jak: dolomit, wapień; roztopiony surowiec poddaje się procesowi rozwłókniania, a do otrzymanych włókien dodaje się spoiwo (np. żywice)

Definicja

zestaw szklarski –
mieszanina surowców, z których powstaje masa szklarska

Zadania

Zadanie 2.2.1.

Zadanie 2.2.2.

Zadanie 2.2.3.

Zadanie 2.2.4.

Zadanie 2.2.5.