Получение легкоплавких стекол

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский Государственный Университет Химический факультет Кафедра общей и неорганической химии

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Получение легкоплавких стекол»

Выполнил: студент I курса Группы 3122

Проверил: Селина Н.А.

Иркутск, 2010 г.

1. Литературный обзор

1.1 История открытия стекла

1.2 Получение стекла

1.3 Физико-химические свойства стекла

1.4 Основные виды стекла и их применение

2. Лабораторные способы получения легкоплавких стекол

3. Экспериментальная часть (получение стекла) Выводы Список используемой литературы

1. Литературный обзор

1.1 История открытия стекла

В природе существует природное стекло — перлит, обсидан.

Появление искусственного стекла обычно связано с развитием гончарства. При обжиге на изделие из глины могла попасть смесь соды и песка, в результате чего на поверхности изделия образовалась стекловидная пленка — глазурь.

Производство стекла началось в четвертом тыс. до н. э. (Древний Египет, Передняя Азия). Первоначально получались непрозрачные стекла, с помощью которых имитировали поделочные камни (малахит, бирюзу и т. д.). Постепенно Состав стекла менялся, количество окислов щелочных металлов с 30% (по массе) уменьшилось до 20%; в состав стекла вводились окислы свинца и олова; для окрашивания стекла стали добавлять соединения марганца и кобальта. Во втором тыс. до н.э. в Египте стекла варили в глиняных горшочках — тиглях, около 0, 25 л.

Коренные изменения в технологии стеклоделия произошли на рубеже нашей эры, когда были решены две важнейшие проблемы — изготовление прозрачного бесцветного стекла и формирование изделий выдуванием. Получение прозрачного стекла стало возможным в результате усовершенствования стекловаренных печей, что позволило повысить температуру варки и надежно воспроизводить условия хорошего осветления стекломассы.

В Древней Руси стеклоделие получило значительное развитие уже в домонгольский период. Прерванное татаро — монгольским нашествием производство стекла возродилось в XVII веке, когда в 1635 году был основан первый в России стекольный завод. Огромный вклад в производство цветного стекла внес М. В. Ломоносов, создавший в 1753 году Усть — Рудицкую фабрику. Важнейшую роль в развитии русского стеклоделия сыграл Императорский хрустальный и стекольный завод в Петербурге. В XVIII веке были также основаны Гусевской хрустальный завод и Дятьковский хрустальный завод.

1.2 Получение стекла

Промышленное получение стекла основано на переработке природных силикатов, конечной стадией которой является обжиг и сплавление, вызывающие те или иные химические процессы, приводящие к образованию новых веществ.

Стекло можно сварить из одного кварцевого песка, химическая формула которого SiO₂ (кремнезем). Однако для этого нужна очень высокая температура (выше 1700 ^оС). Получение таких температур в печах промышленного типа связано с большими трудностями. Если к песку добавить соду — Na₂ CO₃, то удастся сварить стекло при более низкой температуре (на 200−300 ^оС). Такой расплав будет менее вязким, но такое стекло легче растворимо в воде, а изделия из него подвергаются разрушению под влиянием атмосферных воздействий. Для придания стеклу нерастворимости в воде в него вводят третий компонент — известняк — CaCO₃. Такое стеклоназывается натрий — кальциевым. Оно составляет около 90% получаемого в мире стекла. При варке карбонаты натрия и кальция разлагаются:

Na₂CO₃>Na₂O+CO₂ ^

CaCO₃>CaO+ CO₂ ^

В результате в состав стекла входят оксиды кремния, натрия и кальция. Они образуют сложные соединения — силикаты, которые являются натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты.

Na₂SO₄ +CaCO₃+SiO₂>Na₂O•CaO•6SiO₂ +2CO₂^

Na₂O•CaO•6SiO₂ — состав обыкновенного бутылочного или оконного стекла.

При варке стекла первым плавиться оксид щелочного металла, после чего в этом расплаве начинают растворяться зерна кварца и изветняка, вступая в химическое взаимодействие. Поэтому, чем больше в стекле оксидов щелочных металлов, тем при меньшей температуре оно плавиться. Варка стекла производиться при температуре 1400−1500 ^оС в течение нескольких часов. Процесс варки можно разделить на три стадии: провар шихты, осветление, студка — осторожное охлаждение.

1.3 Физико-химические свойства

Вещества, образующие стекла, называются стеклообразова-телями. К ним относятся следующие окислы: В₂О₃, GeO₂, SiO₂, P₂O₅, As₂O₅, Al₂O₃ и некоторые др. Свойства стекла определяются его составом. Например, вместо Na₂O можно с успехом вводить К₂О, при этом увеличится твердость и температура плавления стекла. СаО может быть заменен на MgO, PbO, ZnO, BaO, это увеличивает плотность и показатель преломления (оптическое стекло), добавление Al₂O₃ увеличивает механическую стойкость стекла (тарная посуда). Добавление В₂О₃ приводит к понижению коэффициента теплового расширения стекла, а значит, делает его более устойчивым к резким температурным изменениям.

Окраску стекла осуществляют введением в него оксидов некоторых металлов или образованием коллоидных частиц определенных элементов. Золото и медь при коллоидном распределении окрашивают стекло в красный цвет (золотой и медный рубин). Серебро в коллоидном состоянии окрашивает стекло в желтый цвет. Хорошим красителем является селен. В коллоидном состоянии он окрашивает стекло в розовый цвет, а в виде соединения CdS•CdSe — в красный (селеновый рубин) При окраске оксидами металлов цвет стекла зависит от его состава и от количества оксида — красителя.

Оксид кобальта (2) в малых количествах дает голубое стекло, а в больших — фиолетово-синее с красноватым оттенком.

Оксид меди (2) в натрий-кальциевом слое дает голубой цвет, а в калиево-цинковом — зеленый.

Оксид марганца (2) в натрий-кальциевом слое дает красно-фиолетовую окраску, а в калиево-цинковом — сине-фиолетовую.

Оксид свинца (2) усиливает цвет стекла и придает цвету яркие оттенки.

Иногда стекло обесцвечивают. Существуют химические и физические способы способы обесцвечивания стекла.

В химическом способе стремятся все содержащееся железо перевести в Fe³⁺, для этого в шихту вводят окислители — нитраты щелочных металлов, диоксид церия СеО₂, а также оксид мышьяка (3) As₂O₃ и оксид сурьмы Sb₂O₃.

Химически обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено в желтовато-зеленый цвет, но обладает хорошим светопропусканием.

При физическом обесцвечивании стекла в состав стекла вводят «красители», т. е. ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске, создаваемой ионами железа, — это оксиды никеля, кобальта, редкоземельных элементов, а также селен. Диоксид марганца обладает свойствами как химического, так и физического обесцвечивания. В результате двойного поглощения света стекло становиться бесцветным, но его светопропускание понижается.

Стекло химически устойчиво во многих агрессивных средах, однако при рассмотрении всего диапазона возможных стеклообразных систем, их устойчивость может различаться — от предельного устойчивого кварцевого стекла до растворимого (жидкого) стекла.

Различают два вида разрушения стекла в агрессивных средах — растворение и выщелачивание.

При растворении компоненты стекла переходят в раствор в тех же соотношениях, в каких они находятся в стекле. Многие стеклообразные системы растворяются с той или иной скоростью в плавиковой кислоте и в концентрированных горячих растворах щелочей.

Процесс выщелачивания характеризует механизм взаимодействия стекла с водой и кислотами, исключая плавиковую. При выщелачивании в раствор переходят преимущественно избранные компоненты — главным образом, оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, в результате чего на поверхности стекла образуется защитная пленка, которая по своему составу максимально приближена к стеклообразователю. Переход от выщелачивания к растворению возможен и при взаимодействии стекла с водой или с НСI, H₂SO₄, HNO₃, если стекло чрезмерно обогащено щелочами.

1.4 Виды стекол и их применение

Существует множество видов стекол, которые охватывают весь спектр применения их в народном хозяйстве.

Закаленное стекло, обладающее повышенной термостойкостью, получают путем нагрева стекла до температуры закалки (540−650 ^оС) и последующего быстрого охлаждения. Термостойкость — до 175 ^оС. применяется в строительстве (двери, перегородки, ограждения), для остекления городского транспорта

Термостойкое (борсиликатное) стекло содержит окись рубидия, окись лития и др. Термостойкие стекла имеют коэффициент линейного расширения в 2−3 раза меньше, чем обычное стекло. Изделия из таких стекол выдерживают перепады температур до 200 ^оС. Их используют для изготовления термостойких деталей аппаратуры.

Теплозащитное стекло задерживает 70−75% инфракрасных лучей, оставаясь при этом прозрачным для видимого света.

Отражающее стекло используют для уменьшения нагрева солнечными лучами и регулирования освещенности. Эти свойства достигаются путем покрытия, наносимого на стекло в вакуумной камере и образующего с ним единое целое.

Увеолевое стекло — стекло с повышенной прозрачностью в ультрафиолетовой биологической области спектра (при длинах волн 380−240 нм). Изготавливают его на основе кварцевого, силикатных, борсиликатных, фосфатных стекол, не содержащих примеси соединений, поглощающих УФ-лучи. Увеолевое стекло пропускает 25−75% УФ-лучей.

Триплекс — безопасное безосколочное стекло с повышенной теплои шумоизоляцией. Оно состоит из пакета, образованного из 2-х или более листов стекла, между которыми проложена прозрачная пластичная пленка, прочно соединенная со стеклом склеивающим составом.

Жидкое стекло — водный раствор Na₂SiO₃. Этим стеклом пропитываются ткани и дерево для придания им огнестойкости; оно применяется для изготовления кислотоупорного цемента, силикатных красок и глазурей, а также в качестве конторского клея.

Есть еще много других видов стекол, таких как:

— Оконное

— Фотохромное

— Витражное

— Хрустальное

— Кварцевое

— Пеностекло

— Стекловолокно

— Стеклопластики

2. Лабораторные способы получения легкоплавкого стекла

Методика № 1:

Для получения легкоплавкого стекла используют: 8,35 г PbO, 2,13 г H₃BO₃ и 0,45 г SiO₂. Все компоненты тщательно перетирают в ступке. Полученную смесь небольшими порциями вносят в тигель, который помещают в печь. Через некоторое время происходит вспенивание, обусловленное разложением борной кислоты, а затем образуется легкоплавкое стекло (при 500 ^оС).

Следующая порция шихты вноситься после того, как прекратиться вспенивание от предыдущей. После внесения всей смеси продолжают нагревание до прекращения выделения пузырьков, после чего, взяв тигель щипцами, выливают полученное стекло на керамическую плитку и дают ему остыть.

Методика № 2:

Используют оксиды — PbO, B₂O₃, и SiO₂ в соотношениях, приведенных в таблице 1:

Таблица 1. Процентное содержание отдельных компонентов стекла

Оксиды растирают в ступке, затем смесь всыпают в тигли и помещают в нагретую печь. После того, как смесь перейдет в вязкую жидкость, стекло выливают на керамическую плитку до остывания стекла.

Для придания стеклу окраски используют различные окислы:

Таблица 2. Процентное содержание красящих пигментов в стекле

Свойства используемых соединений:

Оксид свинца PbO. Он находится в виде желтых кристаллов ромбической системы (пл. 80 г/см³) или красных кристаллов тетрагональной системы (пл. 9,53 г/см³). Его t_пл=890 ^оС, t_кип=1473 ^оС. Он мало растворим в воде и обладает способностью поглощать на воздухе CO₂. Это соединение растворимо в горячих щелочах и кислотах.

Его можно получить следующим способом, действуя щелочью на ацетат свинца и прокаливая получившийся осадок в никелевой чашке при температуре 750−800 ^оС в течение 2−3часов:

Pb (CH₃COO)₂ + 2KOH>Pb (OH)₂v + 2CH₃COOK

Pb (OH)₂>PbO + H₂O

Оксид бора B₂O₃. Это хрупкое твердое бесцветное стеклоподобное вещество. Его плотность равна 1,844 г/см³. Кристаллический оксид бора имеет t_пл=450 ^оС, t_кип=1860 ^оС. Он довольно неплохо растворяется в воде и спирте. Приготовить его можно длительным прокаливанием борной кислоты:

2H₃BO₃> B₂O₃ + 3H₂O

Оксид кремния SiO₂ (кремнезем). Это соединение состоит из бесцветных кристаллов гексагональной формы или находится в виде белого аморфного порошка. Плотность равна 2,20−2,67 г/см³, t_пл=1500−1710 ^оС, t_кип=2230−2600 ^оС. Данное соединение растворимо в воде, плавиковой кислоте и растворах щелочей. Получить его можно измельчением природного кварца или горного хрусталя, из кварцевого песка (для этого его кипятят с соляной кислотой, затем сушат при температуре 106−120 ^оС), а также прокаливанием кремниевой кислоты в тигле при температуре 900−1000 ^оС:

H₂SiO₃>SiO₂ + H₂O

3. Экспериментальная часть (получение стекла)

Моей задачей является получение легкоплавкого бор-свинец-силикатного стекла. Для этого я воспользовался второй методикой (приведенной выше), поскольку оксид бора, в отличие от борной кислоты при расплавлении не вспенивается и для получения стекла по второй методике требуется меньшая температура нагревания печи.

Для выполнения работы я выбрал наименьшую температуру размягчения стекла — 484 ^оС, что соответствует следующему процентному содержанию оксидов:

PbO — 83,5% = 8,35 г

B₂O₃ — 12% = 1,2 г

SiO₂ — 4,5% = 0,45 г Все оксиды я тщательно перетер в фарфоровой ступке, после этого разделил шихту на несколько частей, в каждую из которых добавил для окраски оксиды.

Разделенную шихту поместил в отдельные тигли, которые поставил в печь. Причем серу добавлял уже после сплавления первых порций стекла, что необходимо для предотвращения ее выгорания.

После 15−20 мин. Расплавленные массы из тиглей вылил на керамическую плитку до остывания стекла.

Для того, чтобы определить состав стекла, нужно взять небольшой кусочек полученного стекла и проделать следующее:

1. Для того, чтобы доказать, что в состав стекла входит бор, необходимо к образцу стекла прилить воды, нагреть, при этом часть ионов переходит в раствор. В результате образуется борная кислота:

В₂О₃ + 3Н₂О>2Н₃ВО₃

Затем раствор подкислить 1−2 каплями концентрированной серной кислоты и добавить спирт:

H₃BO₃ + 3C₂H₅OH + H₂SO_4(конц)>B (OC₂H₅)₃ + 3H₂O

В результате данной реакции получается борноэтиловый эфир, качественной реакцией на который является его горение ярко-зеленым пламенем.

2. Для того, чтобы доказать, что в состав стекла входит свинец необходимо проделать следующее: прилить к кусочку стекла концентрированную уксусную кислоту, в результате:

PbO + CH₃COOH>Pb (CH₃COO)₂ + H₂O

А затем к полученному раствору добавить KI. Качественной реакцией на ионы Pb²⁺ является образование осадка ярко-желтого цвета:

Pb (CH₃COO)₂ + 2KI>PbI₂v + 2CH₃COOK

Таблица 3. Исходные вещества

M (SiO₂) = 28 + 16•2 = 60 г/моль

M (B₂O₃) = 10,8•2 + 16•2 = 69,6 г/моль

M (PbO) = 207,2 + 16 = 223,2 г/моль

n = m/M

n (SiO₂) = 0,45/60 = 0,0075 моль

n (B₂O₃) = 1,2/69,6 = 0,017 моль

n (PbO) = 8,35/223,2 = 0,037 моль

PbO — 83,5% = 8,35 г

B₂O₃ — 12% = 1,2 г

SiO₂ — 4,5% = 0,45 г

Выводы

стекло химическое легкоплавкое получение В результате проведенной работы я получил легкоплавкое цветное стекло 5 различных окрасок: желто-зеленая, сине-зеленая, синяя, голубая и коричневая.

Стекла находят применение в строительстве, химической, пищевой, парфюмерной отраслях промышленности, а также в приборостроении и электротехнике. Область применения стекол в основном определяется их составом, так как свойства стекла напрямую зависят от добавляемых в них компонентов.

Список используемой литературы

1. Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Практикум по общей и неорганической химии/М.: Высшая школа, 1969. — 288.

2. Ключников И. Г. Практические занятия по химической технологии/М.: гос. Учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1960.

3. Кукушкин Ю. А. химия вокруг нас/ справочное пособие. — М.: Высшая школа, 1992. — 192.

4. Некрасов Б. В. Основы общей химии. Т.1/М .: Химия, 1972. — 594.

5. Угай Я. А. Неорганическая химия/М.: Высшая школа, 1992. — 192.

6. Чуйко А. В. Химия строительных материалов/М.: гос. учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1962.

7. Браун Т., Лемей Г. Ю. Химия — в центре наук/М.: Мир, 1983. — 520.

8. Брауэр. Руководство по неорганической химии/М.: Мир, 1985. — 264.

9. Большая советская энциклопедия, 1975. — 471, 472, 473.