Szkło

Zdolność tworzenia szkieł, tzn. zastygania po stopieniu w sztywną, lecz bezpostaciową masę wykazują takie tlenki jak SiO₂, B₂O₃, P₄O₁₀, oraz ich stopy z tlenkami litowców, wapniowców, z PbO, Fe₂O₃, itd. Spośród pierwiastków zdolności szkłotwórcze wykazuje elementarny selen. Wykazują je także niektóre silnie spolimeryzowane substancje organiczne, np. polistyren. Nie udaje się natomiast otrzymać w stanie szklistym metali. Z punktu widzenia praktycznego szczególnie dużą rolę odgrywa szkło krzemianowe.

W odróżnieniu od ciał krystalicznych, anizotropowych, szkła są ciałami o właściwościach izotropowych. Obydwa rodzaje ciał różnią się także i tym, że ciała stałe (krystaliczne)topią się w określonej temperaturze skokowo zmieniając swoje własności od własności ciała stałego do własności cieczy, podczas gdy szkła w czasie ogrzewania stopniowo miękną i przechodzą w sposób ciągły od stanu, w którym własności ich zbliżone są do własności ciała stałego, do stanu, w którym można je uważać za przechłodzoną ciecz o znacznej lepkości. Przejście od jednego stanu do drugiego odbywa się w stosunkowo wąskim zakresie temperatur zwanym zakresem przeobrażania szkła. Zakres przeobrażania szkła kwarcowego leży w temp. ok. 1500 K, w przypadku szkieł krzemianowych przypada on zwykle na znacznie niższe temperatury, ok. 800 - 1000 K, zależnie od składu szkła. W zakresie przeobrażenia stwierdza się szybką zmianę ciepła właściwego, współczynnika załamania światła i współczynnika rozszerzalności cieplnej, przenikalności elektrycznej itd. W temperaturze niższej od zakresu przeobrażenia szkła jest twarde i kruche, a w niższej staje się coraz bardziej plastyczne. W trakcie jeszcze silniejszego ogrzewania zamienia się stopniowo w coraz bardziej ruchliwą ciecz.

Szkło kwarcowe oraz szkła krzemianowe mają, podobnie jak krystaliczny SiO₂ i krystaliczne krzemiany, strukturę złożoną z tetraedrycznych grup [SiO₄], które łącząc się z sobą tworzą szkielet trójwymiarowy. Istotna różnica pomiędzy szkłem a substancją krystaliczną leży w tym, że przypadku ciał krystalicznych grupy krzemotlenowe tworzą uporządkowaną sieć przestrzenną, podczas gdy w szkle wiążą się ze sobą w sposób nieuporządkowany. Szkło przedstawia układ pozornie trwały, tj. układ który nie osiągnął stanu równowagi i który wykazuje tendencję do przejścia w stan krystaliczny. W temperaturze pokojowej proces krystalizacji szkła (odszklenie) przebiega z niezmiernie małą szybkością, a jego skutki można dostrzec dopiero w szkłach bardzo starych, np. pochodzących z wykopalisk archeologicznych. Szybkość krystalizacji szkła zwiększa się bardzo znacznie wskutek ogrzania i zależnie od gatunku szkła może zachodzić dość szybko w podwyższonych temperaturach (1200 - 1400 K dla większości gatunków szkła). Szkła ulegając krystalizacji mętnieje i staje się bardziej kruche.

Szkła krzemianowe, znajdujące rozliczne zastosowania w życiu codziennym i różnych działach nauki, wytwarza się stapiając piasek z sodą, Na₂CO₃, i wapieniem CaCO₃, w temp. ok. 1800 K. W ten sposób do masy wprowadza się SiO₂, Na₂O, CaO. Zależnie od potrzeb stosuje się dodatki potażu - K₂CO₃, boraksu - Na₂B₄O₇ 10H₂O, glejty ołowianej - PbO lub kaolinu.

Szkła barwi się dodając tlenki metali grup przejściowych. Tlenki kobaltu barwią je na fioletowo niebiesko, tlenki żelaza, zależnie od atmosfery panującej w piecu szklarskim, na zielono [Fe(II), atmosfera redukująca] lub brunatno [Fe(III), atmosfera utleniająca], trójtlenek dwuchromu, Cr₂O₃, na zielono, itd. Znane od dawna barwienie szkła na rubinowy kolor za pomocą koloidalnie rozproszonego złota polega na wprowadzeniu do stopionej masy szklanej drobnej ilości dowolnego związku złota. W temperaturze stopionej masy szklanej ulega on rozkładowi. Powstające złoto wydziela się początkowo prawdopodobnie w rozdrobnieniu atomowym, a po szybkim ochłodzeniu szkła otrzymuje się produkt bezbarwny. Barwa czerwona występuje dopiero po powtórnym ogrzaniu szkła do temperatury 800 - 900 K i powolnym ochłodzeniu. W czasie ogrzewania tworzą się koloidalne cząstki złota o średnicy 0,01 μm, a szkło przybiera barwę czerwoną. W podobny sposób koloidalne srebro zabarwia szkło na żółto.

Masa szklana, której plastyczność można regulować wybierając odpowiednią temperaturę obróbki, formowana jest przez wydmuchiwanie, ciągnienie, prasowanie, walcowanie itp.

Skład normalnego szkła okiennego w przybliżeniu odpowiada wzorowi Na₂O CaO 6SiO₂ (12,9% Na₂O, 11,6% CaO, 75,5% SiO₂). Jest to zatem szkło sodowo - wapniowe. W szkłach potasowo - wapniowych, odznaczających się wyższą temperaturą mięknięcia, Na₂O zostaje zastąpiony przez K₂O. Ze względu na zmniejszoną nieco odporność chemiczną do szkieł tych dodaje się więcej SiO₂ niż do szkła normalnego. Szkła potasowo - wapniowe znajdują zastosowanie do wyrobu naczyń laboratoryjnych. Szkło optyczne crown jest również szkłem potasowo - wapniowym.

Szkła sodowo - potasowo - wapniowe zawierają zarówno tlenek sodu Na₂O jak i potasu K₂O. Używa się je także do wyrobu naczyń chemicznych, chociaż wykazują mniejsza odporność chemiczną niż szkło potasowe.

Szkła bogate w litowce ulegają powolnemu działaniu gorącej wody z utworzeniem KOH lub NaOH. Powierzchnia, która utraciła nadmiar alkaliów przez takie "wymycie", a więc została wzbogacona w SiO₂ staje się bardziej odporna pod względem chemicznym i chroni głębiej położone warstwy szkła przed dalszym rozpuszczeniem. Tego rodzaju warstewkę ochronną można wytworzyć na nowych naczyniach szklanych działając na ich powierzchnię gorącą parą wodną lun stosując wytrawianie kwasami.

Odporność chemiczna i termiczna szkła wzrasta bardzo znacznie, jeśli część SiO₂ zostanie w nim zastąpiona przez B₂O₃ i Al₂O₃. Dodatek tlenku boru B₂O₃ powoduje zmniejszenie współczynnika rozszerzalności cieplnej (zmniejszona wrażliwość szkła na zmiany temperatury), tlenek glinu natomiast zmniejsza kruchość szkła i jego tendencję do krystalizacji. Szkło jenajskie o składzie 75,5% SiO₂, 8,5% Al₂O₃, 4,6% B₂O₃, 7,7% Na₂O, 3,9% BaO, 0,8% CaO, 0,1% MgO przeznaczone początkowo głównie na wyroby laboratoryjne zyskało zastosowanie również do wyrobu przedmiotów codziennego użytku (naczynia kuchenne). Podobny skład i własności, ale jeszcze większą odporność termiczną wykazują szkła trudnotopliwe Pyrex, Duran, Supremax.

Szkła potasowo - ołowiowe zawierają K₂O i PbO zamiast CaO. SA to szkła łatwo topliwe, odznaczającą się dużą gęstością (3,5 - 4,8 g/cm³) i dużym współczynnikiem załamania światła. Jest to tzw. szkło kryształowe. Optyczne szkło flint jest również szkłem potasowo - ołowiowym. Szkło strass, bogate w PbO i B₂O₃ ma szczególnie duży współczynnik załamania światła i znajduje zastosowanie do wyrobu sztucznej biżuterii.

Szkło jest pierwszym tworzywem sztucznie wytworzonym przez człowieka.

• ok. 3400 lat p.n.e. - pierwsze ozdoby (perły, paciorki) ze szkła pojawiły się w Mezopotamii i Egipcie Stanowiło wówczas nic więcej jak tylko nieprzezroczystą masę. W postaci barwionego szkła miało służyć jako ozdoba już w starożytnym Egipcie i Rzymie
• Około 1500 roku p.n.e. produkcja szkła rozwinęła się na dużą skalę w Egipcie
• W dalszej kolejności szklarstwo rozwinęli Fenicjanie, a za nimi Grecy i Rzymianie
• Ostatnie wieki p.n.e. (Fenicja) rozpoczęto stosowanie dmuchania szkła, znacznie ułatwiającego i przyspieszającego produkcję naczyń ze szkła
• Początkowo szkło było sprowadzane do Rzymu z Syrii, gdzie wynalezione piece pozwalały na wytworzenie w odpowiednio wysokiej temperaturze płynnego szkła, często formowano szkło w wyniku dmuchania. Zaczęto stosować braunsztyn dla wytworzenia szkła przezroczystego. Nawet kiedy w Rzymie szkło miało powszechne zastosowanie, dla zwykłych śmiertelników nie było w ich zasięgu
• W Chinach poznano już około 940 roku soczewkę. W XIII wieku wykorzystano ten przyrząd do okularów w Chinach i równolegle we Włoszech, a następnie w Holandii do mikroskopu pod koniec XVI wieku, i do lunety na początku XVII wieku
• W XVII wieku - nastąpił gwałtowny rozwój europejskiej produkcji szkła, wprowadzony został węgiel do huty szkła
• W XVII wieku w Czechach, rozwija się pod wpływem dodania kredy i węglanu potasu metoda produkcji szkła szlachetnego, o pełnym blasku i twardości (w postaci kryształu). Powstały ubogacone w szlify kielichy i puchary, mające wygląd kryształu górskiego. Dzięki zastosowaniu szlifu padające światło ulegało załamaniu, przez co ukazywała się doskonała jakość wykonanego materiału
• W Anglii odkryto, że dodanie tlenku ołowiu powoduje udoskonalenie szkła. Ołowiowy kryształ odznaczał się miękkością, co wymagał jeszcze doskonalszego szlifu
• Przełomowe odkrycie w produkcji szkła przez Niemców - pierwsze zastosowanie pieca wannowego ogrzewanego za pomocą gazu świetlnego. Niemcy stworzyli również podwaliny zmechanizowanej produkcji szkła
• XX wiek - powstały pierwsze kompletne automaty do produkowania butelek. Wynalazł je Amerykanin, i zaczęto wykorzystywać to w przemyśle USA
• Korzystając z badań niemieckiego chemika rozpoczęto wytwarzanie rozmaitych gatunków szkła laboratoryjnego
• XVIII wiek - nastąpił w Polsce największy moment produkcji szkła stołowego, zwierciadeł i szyb. Na dzień dzisiejszy Polska stanowi dużego producenta różnych rodzajów szkła użytkowego i ozdobnego.

Szkło jest wyzyskiwane głównie jako substrat do produkcji szyb, opakowań szklanych, reflektorów, sprzętu laboratoryjnego, włókien szklanych, duranu.

Rodzaje szkła:

1. Szkło bezpieczne to szkło, nie rozbijające się i niepękające, nie rozpadające się, może jedynie ulegać rozpadowi na małe kawałki posiadające zaokrąglone krawędzie. Znane są szkła bezpieczne:

• zbrojone - posiadające zatopione metalowe siatki zbrojeniowe przeciwdziałające wypadaniu kawałków szkła, występują w postaci tafli o grubości od 5 do 8 mm, SA wyzyskiwane przede wszystkim w budownictwie
• hartowane - charakteryzujące się większą wytrzymałością mechaniczną i większą odpornością na różnice temperatur. Po podgrzaniu do temperatury 620 - 680°C szkła zwykłego i kolejno bardzo szybkim jego schłodzeniu sprężonym powietrzem - dochodzi do utworzenia się bardzo regularnej sieci drobnych kryształków zbudowanych z krzemionki, sieć zawiera jednocześnie niewielkie fazy amorficzne. Obecna krystaliczna struktura, powoduje że podczas rozbicia szkło to rozpada się na drobne kawałeczki o obłych krawędziach. Są wyzyskiwane przede wszystkim w przemyśle budowlanym, produkuje się z nich szyby samochodowe, także osłony lamp kineskopowych itp.
• wielowarstwowe - posiadają dwie lub większą ilość warstw szkła, które są sklejone substancją organiczną, która dobrze przepuszcza światło, szkła te nie rozpryskują się, są niezbędne do produkcji okularów ochronnych.

2. Szkło piankowe - struktura komórkowa zbudowana jest ze szkła lub ciała krystalicznego, struktura ta jest wypełniona gazem. Szkło takie otrzymywane jest z proszku szklanego po dodaniu czynników spieniających. Osiągnięcie wybitnych własności użytkowych i fizycznych możliwe jest kiedy faza gazowa w procesie spieniania ulega maksymalnemu rozproszeniu w strukturze komórkowej o której mowa powyżej. Można uzyskać komórki gazowe zamknięte do granic możliwości, które charakteryzują się nie całkiem identyczną postacią, maja także czasami różną wielkość. Na skalę przemysłową stosuje się metodę polegającą na termicznej obróbce połączenia zawierającego proszek szklany i czynnik spieniający. Do produkowanych rodzajów szkła piankowego zalicza się: termoizolacyjne, dźwiękochłonne, filtrujące, specjalne - techniczne.
3. Szkło czeskie - szkło półkrystaliczne, odznaczające się dużą wartością współczynnika załamania światła, o ciężarze mniejszym od szkła kryształowego. Wyzyskuje się je przede wszystkim do produkcji luksusowych naczyń i innych niecodziennych przedmiotów.
4. Szkło mącone (zwane także alabastrowym, mlecznym) - ma postać białego, nieprzezroczystego szkła, zawiera w masie szklanej dodatkową porcję rozproszonej substancji, która posiada inny współczynnik załamania światła. Szkło mącone wyzyskiwane jest przede wszystkim do osłaniania źródeł światła, także do produkcji nieprzezroczystych okładzin itp.
5. Szkło optyczne - szkło charakteryzujące się dużym współczynnikiem załamania światła. Ma zdolność dużej przepuszczalności światła, charakteryzuje się określonymi właściwościami optycznymi. Wyzyskiwane przede wszystkim do produkcji soczewek, pryzmatów i innych elementów układu optycznego, produkuje się z niego także szkła do okularów.
6. Szkło organiczne - (zbudowane na bazie polimetakrylanu metylu) tworzywo sztuczne posiadające własności termoplastyczne, o przezroczystej barwie, z wyglądu przypomina szkło. Jest wyzyskiwane przede wszystkim do produkcji wyrobu płyt na szyby do samolotów i samochodów oraz produkuje się soczewek niego soczewki i protezy dentystyczne.
7. Szkło wodne - występuje w postaci stężonego roztworu wodnego krzemianu sodowego lub potasowego, w połączeniu z NaOH. Występuje w postaci bezbarwnej, gęstej cieczy posiadającej odczyn zasadowy; jest wyzyskiwany przede wszystkim jako impregnat przeciwogniowy, produkuje się z niego kit, apretury, farby, spoiwa budowlane itp.
8. Laboratoryjne szkło - jeden z gatunków szkieł stosowanych do wyrobu naczyń, aparatury i sprzętu laboratoryjnego, cechuje się wybitną odpornością termiczną, mechaniczną i chemiczną oraz posiada małą rozpuszczalność (występuje w postaci szkła kwarcowego, jenajskiego, duranu, pyrexu, silvitu, termisilu, szkła Vycor).