Szkło

Tlenek krzemu (IV) (inaczej: dwutlenek krzemu), jest często zwyczajowo nazywany krzemionką.

Krzemionka jest substancja niezwykle rozpowszechniona w przyrodzie. Buduje większość skał i minerałów, w jako rozdrobniony tworzy znany każdemu z życia codziennego piasek. Naturalnie można go spotkać w trzech odmianach polimorficznych. Do odmian tych zaliczamy: kwarc, trydymit i krystobalit. Najbardziej rozpowszechnioną odmianą jest jednak kwarc. Stanowi on składnik wielu popularnych skał, takich jak: granity, gnejsy, kwarcyty, piaskowce i piaski.

Tlenek krzemu jest substancją wyjątkowo odporną na działanie wysokiej temperatury, topi się dopiero w temperaturze 1710 ºC, przechodząc proces zeszklenia. W jego wyniku staje się bezpostaciowym ciałem, które nie wykazuje uporządkowanie dalekiego zasięgu, nawet po ostygnięciu. Taką amorficzną masę nazywa się szkłem kwarcowym. Proces ten stanowi podstawę w produkcji przemysłowej szkła.

Krzemionka jest substancja wyjątkowo odporną na działanie kwasów (wyjątek to kwas fluorowodorowy, który ja rozpuszcza), zasad oraz wody.

Tlenek krzemu (IV) jest tlenkiem półmetalu (metaloidu) i podobnie jak krzem jest półprzewodnikiem. Bez niego nie mógłby istnieć żaden komputer, gdyż odgrywa ogromną role w elektronice.

Te właściwości krzemionki sprawiają, że jest ona chętnie i często stosowana do tworzenia i projektowanie różnych materiałów i tworzyw. Piasek jest jednym z podstawowych substratów przemysłu ceramicznego, a więc jest niezbędny przy wyrobie cementu, zaprawy murarskiej, emalii i innych. Znajduje zastosowanie przy wyrobie wszelkich produktów ze szkła.

Kwarc charakteryzuje się właściwościami piezoelektrycznymi, z tego względu jest wykorzystywany w radiotechnice. Ponadto stosuje się go do wyrobu lamp kwarcowych. Z tlenku krzemu uzyskuje się czysty krzem oraz jego stopy.

Krzemionka stanowi składnik jednych z najtwardszych skał - krzemieni, które wykazują wysoką odporność na działanie odczynników chemicznych. W skład krzemieni wchodzą krzemiany, czyli sole kwasu krzemowego, których cząsteczki tworzą bardzo skomplikowane struktury przestrzenne.

Kwarc oprócz skał buduje także piękne minerały o różnych barwach, które są chętnie stosowane w jubilerstwie. Wśród nich można kilka wymienić: fioletowy ametyst, żółty cytryn i bezbarwny kryształ górski oraz opal, chalcedon i agat.

Historia rozwoju przemysłu szklarskiego:

Historia szkła pochodzi jeszcze z czasów starożytnych. Ocenia się, iż pierwsze ośrodki szklarskie znajdowały się w Babilonii i Egipcie ok. 3 000 lat p.n.e. W czasach nowożytnych pierwsze huty szkła powstały we Włoszech, w okolicach Wenecji. Na wyspie Murano należącej do Laguny Weneckiej zaczęto wytwarzać lustra. Najstarsze wyroby ze szkła, jakie znaleziono na ziemiach Polskich szacuje się na ok. X wiek. Największy i najszybszy rozwój przemysłu szklarskiego przypada na XX wiek. Z tego okresu pochodzi najstarsza maszyna służąca do automatycznej produkcji opakowań wytwarzanych ze szkła. Dziś do najbardziej rozwiniętych pod względem produkcji szkła państw należą: USA, Japonia, Rosja, Niemcy, Francja i Wielka Brytania. W Polsce największe huty szkła znajdują się w Szklarskiej Porębie, Krośnie , Wałbrzych i Sandomierzu

Do produkcji szkła służą huty. Są to wielkie zakłady produkcyjne, w których z przygotowanych mieszanek surowców wytapia się masę szklaną. Do niezbędnych surowców, z których produkuje się szkło zalicza się:

- piasek kwarcowy, inaczej nazywany piaskiem szklarskim, stanowi on niemal 70 % masy całego zestawu surowcowego. Piasek ten musi odznaczać się wyjątkową czystością i drobnoziarnistością. Do zestawu surowcowego wprowadza tlenek krzemu (IV).

- soda kalcynowa, która jest ważnym substratem w produkcji szkła, wprowadza do mieszanki surowcowej węglan wapna (Na₂CO₃).

- mączka wapienna, stanowiąca rozdrobnione kredy i wapienie, które są źródłem węglanu wapnia (CaCO₃).

- dolomity - skały, ich głównym składnikiem są sole węglanowe wapnia i magnezu (MgCO₃∙ CaCO₃).

- stłuczka szklana to odpadki szklane pochodzące z produkcji szkła, które są zawracane do cyklu.

Z masy powstałej, przez stopienie tak przygotowanej mieszanki surowcowej, formuje się odpowiednio pożądane kształty dla wyrobów. Proces topienia zachodzi w bardzo wysokich temperaturach dochodzących nawet do 1500 - 1600 ºC. W tym czasie zachodzi wiele skomplikowanych przemian fizyko - chemicznych surowców, doprowadzających do roztworzenia ziaren kwarcu, wydzielenia się gazów odpadowych (głównie dwutlenku węgla) i w efekcie utworzenia jednorodnej stopionej masy. Masę taką dalej klaruje się - pozbywa się z niej pęcherzyków gazu oraz powoli studzi się do temperatury ok. 1100 ºC. Kolejnym etapem jest formowanie pożądanych kształtów wyrobów szklarskich. Wśród wielu metod formowania szkła można wyróżnić m.in. wydmuchiwanie, prasowanie, ciągnięcie szkła lub jego walcowanie. Często w celu wzmocnienie szkła hartuje się go, czyli ponownie ogrzewa się do temperatury ok. 700ºC i gwałtownie chłodzi, w ten sposób szkło jest bardziej odporne na stłuczenie, a w przypadku rozbicia tłucze się na małe, nie ostre kawałki.

Właściwości szkła można modyfikować, poprzez dodawanie do masy szklanej odpowiednich substancji. Pożądany kolor szkła uzyskuje się zazwyczaj przez dodanie kationów metali grup przejściowych. Przykładowo:

- chrom (Cr) i żelazo (Fe) - barwi szkło na zielono

- mangan (Mn) i nikiel (Ni) -barwi szkło na fioletowo

- selen (Se) - barwi szkło na różowo

W celu uzyskania odpowiedniej intensywności barwy stosuje się biel cynkową (ZnO), która umożliwia odbarwianie szkła.

Rodzaje szkła:

- Szkło sodowo - wapniowe - to szkło, z którym najczęściej spotykamy się w życiu codziennym, jest stosowane do wyrobu butelek, naczyń stołowych i szyb okiennych. Zawiera wysoką zawartość tlenku sodu (ok. 13 %) oraz tlenku wapnia (ok. 12 %). Jest szkłem dość kruchym.

- Szkło zbrojone - jest szkło posiadające wtopiona metalową siatkę, dzięki której w razie stłuczenia rozbija się na drobne zaokrąglone na brzegach fragmenty. Ten rodzaj szkła ze względów bezpieczeństwa jest stosowany w pojazdach samochodowych oraz w budownictwie.

- Szkło ołowiowe - jest to szkło, w skład którego, oprócz standardowej mieszanki surowcowej wchodzą takie związki chemiczne jak: tlenek ołowiu, tlenek glinu i tlenek boru. Substancje te sprawiają, że szkło ołowiowe charakteryzuje się wysokim współczynnikiem załamania światła oraz maksymalną wśród wszystkich rodzajów szkieł gęstością. Jest stosowane głównie do wyrobów dekoracyjnych, stąd też jego inna nazwa - szkło kryształowe.

- Szkło wodne stanowi gęstą ciecz, będąca stężonym, wodnym roztworem krzemianów sodu i potasu w wodorotlenku sodu. Substancję tą wykorzystuje się je wyrobu tworzyw przeciwogniowych m.in. farb i tkanin.

- Szkło potasowe - oprócz podstawowego składu surowcowego zawiera jeszcze tlenek potasu. Dodatek tej substancji sprawia, że szkło topi się w temperaturze wyższej niż zwykle szkło. Ten rodzaj szkła jest stosowany do wyrobu naczyń żaroodpornych oraz szkła laboratoryjnego. Łatwo można go poznać, po lekko zielonym zabarwieniu.

- Szkło kwarcowe - to szkło, którego głównym składnikiem jest tlenek krzemu. Charakteryzuje się wysoka temperatura topnienia oraz wyjątkowa odpornością na gwałtowne zmiany temperatur. Właściwości te sprawiają, że szkło to jest wykorzystywane do wyrobu szkła laboratoryjnego oraz optycznego.

- Szkło artystyczne- wyrób takiego szkła polega na odpowiednim uformowaniu go z gorącej, płynnej masy. W celu polepszenia jego walorów estetycznych odpowiednie się je dekoruje. Można zastosować jedna z poniższych technik: szlifowanie, rysowanie, za pomocą diamentu, złocenie, czy matowienie piaskiem. Szkło jest tworzywem dającym szerokie pole do popisu artystom. Obecnie istnieje nawet Muzeum Artystycznego w Murano - w mieście, w którym rozpoczęła się cała historia szkła.