Genialne dziecko piasku, czyli po co nam szkło?

Kiedyś szkło było materiałem drogim, budzącym podziw. Dziś prawie nie dostrzegamy jego istnienia, choć jest wszechobecne. Dzięki szkłu rozwijają się sieci telekomunikacyjne, lasery, czujniki medyczne. Można je nazwać materiałem XXI wieku. Jeśli przyjrzymy się kawałkowi szkła, możemy ulec złudzeniu, że jest to kryształ. Byłoby to nawet dość logiczne, ponieważ głównym składnikiem każdego szkła jest tlenek krzemu (kwarc – SiO2), będący ewidentnie substancją krystaliczną. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu uznawano szkło za tzw. ciecz przechłodzoną, czyli coś pośredniego pomiędzy stanem stałym a ciekłym. Dziś jednak uważa się, że jest ono bezpostaciowym niekrystalicznym ciałem stałym. W materiałoznawstwie mamy nawet pojęcie stanu szklistego. Charakteryzuje się on lokalnym uporządkowaniem, które nie przekracza promienia 2 nm. W stanie szklistym mogą być nie tylko rozmaite szkła, ale także ceramika, a nawet niektóre polimery.

Najbardziej jednolitym chemicznie szkłem jest szkło kwarcowe. Jest to praktycznie czysty kwarc, który po stopieniu w temperaturze powyżej 2000ºC chłodzi się, uzyskując materiał o wyjątkowej czystości. Szkło kwarcowe jest drogie, stosuje się je do wyrobu specjalistycznej aparatury chemicznej (jest odporne na większość kwasów, natomiast ulega działaniu silnych zasad), jak też optycznej, ponieważ w przeciwieństwie do zwykłego szkła przepuszcza promieniowanie UV. Najczęściej jednak mamy do czynienia ze szkłem zwykłym, które nazywamy sodowym. Otrzymuje się je z piasku kwarcowego zmieszanego z sodą. Nie wymaga ono podczas produkcji tak wysokiej temperatury jak szkło kwarcowe, wystarczy 1200–1300ºC. Temperatura jego mięknięcia wynosi 600–800ºC. Jeszcze niższą temperaturę mięknięcia (400ºC) ma tzw. szkło jenajskie, znane też jako borokrzemianowe. Służy ono głównie do wyrobu sprzętu laboratoryjnego, takiego jak zlewki czy kolby.

Wszyscy wiemy, że szkło jest twarde i kruche, no i oczywiście przezroczyste, co stanowi o jego podstawowych zastosowaniach. Często dzieci zadają nam pytanie: dlaczego szkło jest przezroczyste? Faktycznie – właściwość tę ma nie aż tak wiele znanych powszechnie materiałów. Jeśli dobrze się zastanowimy, można to wyjaśnić dość prosto: każdy atom jest w zasadzie pustą przestrzenią. Fakt, są w nim jądro atomowe i elektrony, ale grubo ponad 99,999% przestrzeni stanowi pustka. Dlatego pytanie powinno raczej brzmieć: dlaczego inne materiały nie są przejrzyste? Wynika to bezpośrednio z fizyki kwantowej. Światło widzialne ma zbyt małą energię, aby przenieść elektrony w atomach szkła na wyższe orbity, dlatego przechodzi przez nie prawie bez strat. Nie dotyczy to wysokoenergetycznego światła ultrafioletowego, które dlatego jest pochłaniane przez szkło – nie możemy opalić się przez szybę. Struktura atomów w innych materiałach pozwala na pochłanianie światła widzialnego – z tego powodu są one w większości nieprzezroczyste.

Szkło jest materiałem odpornym na działanie czynników chemicznych, w tym na większość stężonych kwasów (z wyjątkiem fluorowodorowego – HF). Warto pamiętać, że nie jest odporne na działanie stężonych zasad, które powoli, ale skutecznie je rozpuszczają, tworząc krzemiany. Idealnie nadaje się natomiast do przechowywania żywności, ponieważ jest wobec niej chemicznie obojętne, a poza tym daje się łatwo czyścić. Jak przystało na produkt otrzymany z mineralnej krzemionki, szkło jest twarde, a co za tym idzie – kruche, o czym zapewne wielu niejednokrotnie się przekonało. Jest doskonałym izolatorem elektrycznym, ponieważ w jego strukturze nie ma ruchomych jonów.

Ostatnie wpisy