Стекло: состав, строение и свойства

Состав, строение и свойства стекла

Оконное стекло, оптические линзы, лабораторная посуда, декор — этот материал окружает нас повсюду, хотя его внутреннее устройство до сих пор остаётся предметом научных споров. Ниже разобрано, что понимают под стеклом, как оно образуется, из чего состоит и какими физическими свойствами обладает.

Как образуется стекло?

Появиться стекло может и без участия человека. Природа создаёт его сама: при ударе молнии в песок или в процессе извержения вулкана расплав застывает, минуя стадию кристаллизации. Наряду с такими естественными образцами существует и стекло промышленного производства, свойства которого во многом задаёт технология.

Как устроено стекло?

Единого, окончательно установленного описания строения стекла пока нет. Более того, основная масса материала и его поверхностный слой различаются между собой. Причина в том, что разные виды стёкол отличаются составом, а на итоговую структуру влияет и технологический процесс изготовления.

Рассматривая строение стекла, обычно разделяют два тесно связанных аспекта:

• геометрию — то, как в пространстве взаимно располагаются ионы и атомы;
• характер химических связей между частицами, образующими материал.

В интервале стеклования структура стекла повторяет структуру жидкости — именно поэтому вопросы строения стеклообразующих расплавов и самого стекла неразрывно связаны. Представления об этом устройстве развиваются через гипотезы и подтверждающие их эксперименты, а также через теории, которые оформляются математически и допускают количественную проверку опытом.

Каким бывает стекло по химическому составу?

Стекло сочетает в себе черты твёрдого тела и сверхвязкой жидкости. Его особенность в том, что переход из жидкого состояния в стеклообразное происходит без потери полезных качеств, а вязкость настолько велика, что при комнатной температуре может не проявлять себя сотни лет. По основным составам выделяют калийно-свинцовые, калийно-известковые и содово-известковые стёкла, а по химической природе — три большие группы.

1. Оксидные. Такой состав характерен для силикатных и фосфатных стёкол, а также для боросиликатных и германатных. Эти материалы хорошо противостоят химическому воздействию и отлично пропускают свет.
2. Фторидные. Из них изготавливают волоконно-оптические системы передачи данных: фторидные стёкла защищены от радиации, обладают расширенным спектральным коэффициентом пропускания и высокой чувствительностью. Применяют их и в медицинском оборудовании — например, в лазерах.
3. Сульфидные. Этот вид идёт на производство посуды и декоративных изделий.

Что входит в состав стекла?

Основой любого стекла служит диоксид кремния (SiO₂). При промышленном производстве к чистоте сырья предъявляют строгие требования: доля примесей в песке не должна превышать 2 %, иначе пострадает прозрачность готового изделия.

К кремнезёму добавляют различные оксиды, каждый из которых решает свою задачу:

• при выпуске оптических приборов в состав вводят алюминий, барий и бор;
• при изготовлении оконных стёкол — оксиды натрия, кальция или алюминия;
• оксид бария повышает устойчивость материала к высоким температурам.

Помимо этого, в шихту вводят вещества, придающие стеклу особые свойства: обесцвечиватели, осветлители, рассеиватели света и красители. Отдельную роль играют металлы — титан, платина, железо, вольфрам и молибден.

Какими свойствами обладает стекло?

Практическую ценность материала определяет набор физических характеристик.

Плотность. Зависит прежде всего от химического состава и лежит в пределах от 2,2 до 7,5 г/см³. Влияет на неё и температура: при нагреве плотность немного снижается.

Прочность. Под ней понимают способность сопротивляться проникновению более твёрдого тела. У большинства стёкол этот показатель равен 7 по шкале Мооса, у отдельных видов — от 5 до 6.

Теплопроводность. Описывает способность проводить тепло без перемещения самого вещества. Коэффициент теплопроводности стекла составляет от 0,0017 до 0,032; у оконного стекла он около 0,0023.

Тепловое расширение. Это увеличение линейных размеров при нагревании — у стекла оно невелико.

Термическая устойчивость. Отражает способность выдерживать резкие перепады температуры без разрушения, что особенно важно в строительстве. Обычное стекло держит перепад порядка 80–90 °C, тогда как кварцевое благодаря своему составу — до 1000 °C.

Оптические свойства. Сюда относят преломление и отражение света, светопрозрачность и светопоглощение. Поглощает свет стекло слабо: у оконных образцов светопропускание достигает 88 %. Чтобы получить особо прозрачный материал, сырьё максимально очищают от примесей.