Стекло - это своего рода загадка. Защищает нас от большого количества неприятностей, но разбивается с невероятной легкостью. Оно сделан из непрозрачного песка, но при этом полностью прозрачно. И что, пожалуй, самое удивительное, он ведет себя как твердый материал ... но это также замаскированная странная жидкость! Вы можете найти стекло, куда бы вы ни посмотрели: в большинстве комнат в вашем доме будет стеклянное окно, а если нет, то, возможно, стеклянное зеркало ... или стеклянная лампочка. Стекло - один из старейших и самых универсальных материалов, созданных человеком. Давайте узнаем о нём больше.
Что такое стекло?
Вы не поверите, но стекло сделано из жидкого песка. Вы можете сделать стекло, нагревая обычный песок (который в основном состоит из диоксида кремния), пока он не расплавится и не превратится в жидкость. Вы не найдете такого на местном пляже: песок плавится при невероятно высокой температуре 1700 ° C.
Когда расплавленный песок охлаждается, он не превращается обратно в песчано-желтый материал, с которого вы начали: он полностью трансформируется и приобретает совершенно другую внутреннюю структуру. Но не имеет значения, насколько сильно вы охлаждаете песок, он никогда не затвердеет. Вместо этого он становится своего рода замороженной жидкостью или тем, что материаловеды называют аморфным твердым телом . Это похоже на нечто среднее между твердым телом и жидкостью с некоторой степенью кристаллического порядка твердого тела и некоторой молекулярной хаотичностью жидкости.
Стекло - такой популярный материал в наших домах, потому что он обладает множеством действительно полезных свойств. Помимо прозрачности, его недорого изготовить, легко придать форму, когда он расплавлен, достаточно устойчив к нагреванию, когда он застыл, химически инертен (поэтому стеклянная банка не вступает в реакцию с предметами, которые вы помещаете в нее), и ее можно переработать любое количество раз.
Как делают стекло?
Когда американские ученые испытали прототип атомной бомбы в пустыне Нью-Мексико в 1945 году, взрыв превратил песок в непосредственной близости от места удара в стекло. К счастью, есть более простые и менее экстремальные способы изготовления стекла, но все они требуют огромного количества тепла .
На заводе по производству товарного стекла песок смешивают с отработанным стеклом (из сборников вторичной переработки ), кальцинированной содой (карбонат натрия) и известняком (карбонат кальция) и нагревают в печи. Сода снижает температуру плавления песка, что помогает экономить энергию во время производства, но у нее есть досадный недостаток: из нее получается стекло, которое растворяется в воде ! Чтобы этого не произошло, добавляют известняк. Конечный продукт - натриево-известково-кремнеземное стекло . Это обычное стекло, которое мы видим повсюду.
После того, как песок расплавился, его либо выливают в формы для изготовления бутылок, стаканов и других емкостей, либо «плавают» (выливают в большую ванну с расплавленным металлическим оловом ), чтобы сделать идеально плоские листы стекла для окон. Необычную стеклянную тару до сих пор иногда изготавливают путем «выдувания». «Капля» (кусок) расплавленного стекла оборачивается вокруг открытой трубы, которая медленно вращается. Через открытый конец трубы продувается воздух, в результате чего стекло надувается, как воздушный шар. С помощью умелого выдувания и токарной обработки можно создавать самые разные удивительные формы.
Производители стекла используют несколько иной процесс в зависимости от типа стекла, которое они хотят сделать. Обычно для изменения внешнего вида или свойств готового стекла добавляют другие химические вещества. Например, в расплавленный песок добавляют химические вещества на основе железа и хрома, чтобы получить стекло с зеленым оттенком. Боросиликатное стекло производится путем добавления оксида бора к расплавленной смеси. Добавление оксида свинца делает прекрасное хрустальное стекло, которое легче разрезать; Высоко ценимый ограненный кристалл хрусталя сверкает цветом, преломляя проходящий через него свет. Некоторые особые виды стекла изготавливаются с помощью другого производственного процесса. Пуленепробиваемое стекло изготавливают из сэндвича или ламината из нескольких слоев стекла и пластика, соединенных вместе. Закаленное стекло, используемое в лобовых стеклах автомобилей, производится путем очень быстрого охлаждения расплавленного стекла, что значительно укрепляет его. Витражное (цветное) стекло изготавливается путем добавления металлических соединений в стекло, пока оно расплавлено; разные металлы придают отдельным сегментам стекла разные цвета.
Стекло - твердое ... или жидкое?
Это очень интересный вопрос.
Ответ - и то, и другое - и ни то, ни другое! Существуют самые разные мнения о том, как относиться к таким материалам, как стекло, которые в некоторых отношениях кажутся немного похожими на жидкости, а в других - на твердые.
В школах и из книг мы часто узнаем, что твердые тела имеют фиксированную структуру атомов.
Фактически, существуют разные виды твердых тел, которые имеют очень разную структуру, и не все, что мы называем «твердым телом», ведет себя точно так же. Представьте кусок железа и кусок резины . Совершенно очевидно, что они оба твердые, но резина очень отличается от железа. Внутри каучука и железа атомы (в случае железа) и молекулы (в случае каучука) расположены совершенно по-разному. Железо имеет правильную или кристаллическую структуру, а каучук - это полимер (состоящий из длинных цепочек молекул, слабо связанных друг с другом). Или подумайте о воде. Как вы, возможно, уже обнаружили, вода - это почти уникальное твердое тело, потому что оно расширяется, когда замерзает. Короче говоря, не все полностью вписывается в наши представления о твердом, жидком и газообразном, и не все твердые тела, жидкости и газы ведут себя понятно и легко объяснимо. Исключения - это то, что делает науку действительно интересной!
Аморфные твердые вещества
Вернемся к стеклу. Загляните в микроскоп внутрь стекла, и вы обнаружите, что молекулы, из которых он сделан, расположены в неправильном порядке. Вот почему стекло иногда называют аморфным твердым телом (твердым телом без регулярной кристаллической структуры, которая может быть у чего-то вроде металла ). Вы также можете увидеть стекло, описанное как «замороженная переохлажденная жидкость». Это еще один способ сказать «стекло - это жидкость, которая никогда не застывает». Это загадочное утверждение, которое иногда можно встретить в научных книгах. Мы могли бы сказать, что стекло немного похоже на жидкость и немного на твердое тело. Он имеет внутреннюю структуру, которая находится где-то между структурой жидкости и твердого тела.
Стекло - отнюдь не единственное аморфное твердое тело. Можно создать воду, называемую аморфным льдом, которую можно описать как нечто среднее между твердым (вода) и жидким (лед). Для этого нужно очень быстро охладить воду. Лед образуется так быстро, что не успевает сформировать свою нормальную кристаллическую структуру. То, что вы получаете, похоже на лед, но в некотором смысле ведет себя как жидкая вода. Другие вещества также могут быть превращены в аморфные твердые тела. Солнечные элементы часто делают из чего-то, что называется аморфным кремнием.
Для чего мы используем стекло?
Стекло начинает ваш день с блеска: взгляд на часы, взгляд сквозь глазурь на солнце или дождь, хмурый взгляд в зеркале, песня из душа, когда вы умываетесь теплой водой. Стаканы выставляют на стол для завтрака, который сам может быть сделан из дымчатого стекла, и есть бутылки и банки всех форм и цветов. Готовя завтрак на кухне, вы можете использовать стеклокерамическую плиту или микроволновую печь с окном с металлической подкладкой, чтобы волны оставались внутри. Может быть, вы наблюдаете, как круассаны нагреваются через дверцу духовки из бор силикатного стекла? (Или это стеклянный чайник?)
Когда вы проверяете электронную почту за завтраком (плохая привычка), интернет-данные со скоростью света доставляются к вам домой по оптоволоконным кабелям , так же как солнечный свет проходит через отражающие тепло окна, которые сохраняют вашу прохладу. Вы читаете слова через стеклянную ЖК-панель вашего ноутбука или закаленное стекло "Gorilla" вашего смартфона, которые заряжаются солнечной энергией от фотоэлектрических панелей на крыше. Говорящие головы бормочут вам через экран телевизора в углу.
Затем вы отправляетесь на работу или в школу в застекленной машине, автобусе, поезде (возможно, даже на вертолете ), сгорбившись от энергосберегающих ламп, покрытых стеклом, чтобы они продержались долго. Если вы едете, то дорога, по которой вы едете, может быть сделана из щебня и асфальта, включая переработанное стекло; даже белые полосы посередине используют крошечные стеклянные бусинки, чтобы они сияли в ваших фарах. Может быть, вы зайдете в банк или на почту по дороге, улыбаясь кассиру за ее пуленепробиваемым окном, и быстро сделаете копию своих водительских прав (которые вы по неосторожности оставите на стекле копировального аппарата ).
Подписывайтесь на канал ! Будет много интересного!