VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Свойства стекла
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Научно-исследовательская работа
Химия
СВОЙСТВА СТЕКЛА
Выполнил:
Шухтин Юрий Дмитриевич
учащийся 6 класса
МОУ «Средней
общеобразовательной
школы № 1» МО «Котлас»,
Архангельской области
Руководитель:
Кривошапкина
Валентина Владимировна
учитель МОУ «Средней
общеобразовательной
школы № 1» МО «Котлас»,
Архангельской области
Содержание
Введение………………………………………………………………….3
Теоретическая часть……………………………………………..3
Распространение в природе……………………………………..3
История стекла…………………………………………………...4
Физические свойства…………………………………………….5
Состав стекла……………………………………………….….....6
Основные виды стекла и их применение ……………….…..….6
Практическая часть………………………………………… ..…7
Изучение школьной коллекции «Стекло»………………….…..7
Растворение стекла ……………………………………….….…..7
Плавление стекла ……………………………………………..….8
Получение цветных стекол…………………………………..…..8
Матирование стекла……………………………………………....8
Выводы……………………………….…………………………....8
Заключение……………………………………………………………….9
Литература…………………………………………..…….……………..10
Приложения……………………………………………………...………11
Введение
Стекло — вещество и материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, универсальный в практике человека. Стекло является самым широко применяемым материалом в быту, строительстве, на транспорте благодаря своим уникальным качествам: прозрачности, твердости, химической устойчивости к активным химическим реагентам, относительной дешевизне производства. Без него невозможно изготовить оптические приборы, телевизоры, космические корабли и др. Для своей работы я выбрал именно эту тему, так как считаю, что история возникновения и познания этого вещества тесно связана с историей человечества. Кроме того, эта тема меня заинтересовала, и я хотел бы как можно шире раскрыть ее.
Цель работы: доказать, что стекло – это уникальный материал, обладающий удивительными свойствами.
Для достижения заданной цели были поставлены следующие задачи:
1. Узнать историю открытия стекла
2. Изучить технологию изготовления стекла
3. Изучить состав стекла
4. Познакомиться с различными видами стекла
5. На основе полученных теоретических знаний выполнить практическую работу по изучению свойств стекла
Гипотеза: Стекло – материал, обладающий необычными свойствами.
При подготовке исследования я пользовался материалами:
Научных и публицистических изданий;
Периодических изданий;
Данными, опубликованными в сети Интернет.
3
Теоретическая часть
1.1 Распространение в природе
Как известно, стекло, используемое нами в повседневной жизни, – материал искусственный. Древние люди могли держать в руках стекло, даже не имея представления о его приготовлении, поскольку наряду с искусственным существует и природное (вулканическое) стекло – перлит, обсидиан. Из такого природного стекла делали режущий
инструмент и украшения. Обсидиан представляет собой застывшую вулканическую лаву или оплавленную скальную породу. Именно обсидиан использовался первобытными людьми для изготовления различных режущих инструментов, а также украшений.(1)
1.2 История стекла
История стекла уходит в глубокую древность. Известно, что в Египте и Месопотамии его умели делать уже 6000 лет назад. Вероятно, стекло начали изготавливать все же позже, чем первые керамические изделия, так как для его производства требовались более высокие температуры, чем для обжига глины. Если для простейших керамических изделий было достаточно только глины, то в состав стекла необходимо минимум три компонента.
Существует легенда, что первыми изобрели стекло финикийцы. Возвращаясь с дальнего плавания, они решили остановиться на близлежащем острове. Развели костёр для того, чтобы приготовить еду. А так как камней не было, они поставили под котёл глыбы соды. Через некоторое время финикийцы заметили, что ракушки, сода и песок превратились в какую-то жидкость. Это и было стекло. Но у этой легенды существует опровержение: учёные доказали, что при открытом огне нельзя добиться температуры плавления компонентов.
Изделия из стекла так же, как и из керамики, практически не подвергаются атмосферным воздействиям и хорошо сохраняются даже под слоем земли. Эти изделия оказались важнейшими документами далекого прошлого. Они донесли до нас бесценную информацию об уровне культуры и
4
техники древних народов. Благодаря стеклу до нашего времени дошли величайшие художественные произведения различных эпох культуры человечества.
Несмотря на то что возраст стеклоделия оценивается в 6 тыс. лет, прозрачное и бесцветное стекло люди научились варить лишь на пороге новой эры. До этого производилось непрозрачное окрашенное в различные тона стекло и из него изготавливались главным образом мелкие изделия: бусы, браслеты, пуговицы, кольца, печатки, шахматные фигуры и др. Стеклодувы античной эпохи начали широко применять холодную обработку стекла: рельефную резьбу, гравировку, шлифовку. Как только было получено прозрачное стекло, стеклоделы стали стремиться изготовить из него оконные пластины. Ученые предполагают, что оконное стекло вначале было цветным. Это объясняется тем, что бесцветное стекло получить было весьма непросто, так как сырье обычно содержит различные примеси, которые придают стеклу окраску. Особенно часто в
сырье присутствуют соединения железа. Получение пластин для остекления окон оказалось весьма непростым делом. Изготовление полых изделий довольно сложной формы путем выдувания для человека было более простой задачей, чем получение листового стекла. Эта задача была решена лишь к концу средневековья. При раскопках Помпеи, погребенной под пеплом вулкана Везувия в 79 г. н.э., было установлено, что в очень редких случаях в окна были вставлены пластины стекла, которые были довольно толстыми. По-видимому, тонкое листовое стекло итальянские стеклоделы еще не научились делать.
Считают, что метод выдувания так же, как и способ варки прозрачного стекла, был открыт в период смены летоисчисления. Поводов для его открытия было предостаточно. Для получения высоких температур в металлургии был уже известен способ дутья. При варке стекла, требующей также высоких температур, дутье, в частности, проводилось при помощи легких человека. Для
5
этого использовались длинные и полые тростниковые трубки, конец которых обмазывался глиной. Последнее было необходимо для того, чтобы трубка не загоралась. Таким образом, для открытия метода выдувания стеклянных изделий были созданы все предпосылки. Нужен был только случай, когда конец трубки прикоснется к жидкой стекольной массе. Если это произошло, то, продолжая дуть в трубку, человек должен получить что-то похожее на пузырь. Следующим шагом было помещение выдуваемого «пузыря» в деревянную форму, и полое стеклянное изделие почти готово.
Вероятно, метод выдувания изделий из стекла был изобретен в различных местах, где культивировалось стеклоделие, примерно в одно и то же время. Однако принято считать, что способ выдувания был изобретен в Александрии в I в. до н.э.
Первый стекольный завод в России был построен в 1636 г. близ г. Воскресенска под Москвой. На нем выдували оконное стекло и стеклянную посуду. Через 30 лет в селе Измайлово, также под Москвой, был построен завод, на котором изготовляли высококачественные стаканы, графины, фляги, рюмки, кувшины и др. Особенно быстро стеклоделие развилось при Петре I. В XVIII в. около Москвы действовало уже шесть стекольных заводов.
Физические свойства
Как и любой другой материал, стекло обладает рядом качеств, которые необходимо знать, прежде чем использовать его в той или иной области.
Плотность. Может варьироваться в зависимости от состава смеси и способа изготовления. Значение плотности стекла может колебаться от 220 до 650 кг/м3.
Хрупкость. Эта характеристика является отличительной особенностью стекла и ограничивает его применение в строительной области. В настоящее время учеными создаются более сложные сплавы, максимально увеличивающие прочность материала.
Термостойкость. Обычное стекло выдерживает температуру до 90 оС.
6
После обработки термические свойства материала значительно повышаются. Например, промышленное стекло способно выдерживать температуру более 200 оС.(2)
1.4 Состав стекла
Стандартный состав стекла представляет собой смесь чистого кварцевого песка, извести и соды. Для изменения свойств материала могут использоваться различные добавки. Но все-таки основным составляющим компонентом является именно чистый речной песок. Его количество составляет примерно 75% от всей смеси. Сода позволяет снизить температуру плавления песка почти в 2 раза. Известь защищает стекло от воздействия большинства химических веществ, а также добавляет прочности и блеска.
Дополнительные примеси:
Марганец (Mn) добавляют в стекло для получения специфического зеленого оттенка. Для получения других цветов может использоваться никель или хром.
Свинец (Pb) придает стеклу дополнительный блеск и характерный звон. Материал получается более холодным на ощупь. Стекло с примесью свинца называется хрусталь.
Оксид бора тоже придает материалу дополнительный блеск и прозрачность, при этом понижая коэффициент теплового расширения изделий.(3)
1.5 Основные виды стекла 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˚ С) и последующего быстрого охлаждения. Термостойкость – до 175˚С. применяется в строительстве (двери, перегородки, ограждения), для остекления городского транспорта.
7
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˚С.
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.
Триплекс – безопасное безосколочное стекло с повышенной тепло- и 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 силиката натрия 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)
2.Практическая часть
2.1 Изучение школьной коллекции «Стекло»
В школьной лаборатории есть учебная коллекция «Стекло», в которой представлены различные виды этого материала, некоторые из которых были охарактеризованы выше. В коллекции 12 разновидностей стекла. Оказывается, есть такие виды стекла, которые не обладают прозрачностью, пористые
8
(пеностекло), похожие на пластмассу (стеклопластики), в виде волокон (стекловолокно). Для меня оказалось интересным, что из стекловолокна можно изготавливать стеклоткани. (Приложение 1)
2.2 Растворение стекла.
Казалось бы, стекло – это нерастворимое в воде вещество. Ведь в стеклянные банки, бутылки можно не только наливать воду и различные растворы, но и хранить в них. Однако, и стекло можно растворить.
Для опыта мы использовали два вида стекла – оконное и пробирковое. Оба образца сломали и растерли в ступке до порошкообразного состояния. К растертому стеклу добавили воды и взболтали. Чтобы стекло быстрее растворилось, пробирки нагрели. Один из компонентов, используемых для получения стекла – сода, имеет щелочную реакцию среды. Для определения среды используют индикаторы – вещества, изменяющие цвет в растворах кислот и щелочей. Мы воспользовались фенолфталеином.
Результат. Раствор стал розовым. Это значит, что стекло растворилось, а сода, входящая в его состав дала щелочную реакцию. (Приложение 2)
2.3 Плавление стекла
Стеклянную трубку нагрели в пламени спиртовки.
Результат. Через некоторое время стекло размягчается. Мягкому стеклу можно придать различные формы. У меня получились изогнутые трубки. (Приложение 3)
Получение цветных стекол
Размягчили стеклянную трубку в пламени спиртовки и аккуратно растянули так,
чтобы получилась стеклянная нить. Растягивали до разрыва нити. Одну часть опустили в раствор хлорида кобальта розового цвета, другую в раствор сульфата меди. Затем снова внесли в пламя спиртовки.(6)
Результат. В пламени спиртовки нить сплавилась в шарик. В первом
9
случае шарик светло-голубого, во втором – светло-розового цвета. Чем длиннее получается нить, тем крупнее шарик. У меня получились шарики в диаметре примерно 1,5 мм. Интересно, что при использовании розового раствора, получается голубое стекло, а при использовании голубого раствора – розовое. (Приложение4)
Матирование стекла.
Стекло неактивное вещество, но может растворяться в плавиковой кислоте. В школьном химическом кабинете плавиковая кислота, как правило, отсутствует, однако ее можно получить в процессе нанесения рисунка.
Перед обработкой поверхность обезжиривают и сушат. Для работы готовят эмульсию, которая состоит из 1 г фтористого натрия, 1 г желатина и 200 мл горячей воды.
Стекло заклеили скотчем, с помощью скальпеля вырезали в скотче фигуру в виде звездочки. Стекло покрыли полученной эмульсией. После высыхания эмульсии на обрабатываемое стекло на 50-60 секунд наливают 5%-ный раствор соляной кислоты. Затем излишки реактива удаляют, а впитавшаяся в желатин кислота протравливает стекло. (7)
Результат. После промывания стекла в проточной воде и удаления скотча на стекле осталась звезда. (Приложение 5)
Выводы
- не смотря на свою «обычность» стекло обладает особенными свойствами;
- изучив свойства стекла и приложив некоторые старания, можно в школьной лаборатории изменить обычное стекло, поменяв форму, цвет и нанести рисунок
Заключение
Стекло, по праву, считается одним из самых удивительных материалов. Человек уже много веков назад научился изготавливать из него не только посуду, но и ювелирные украшения, правда в настоящее время все больше
10
используются пластики. Прошло много веков, но и в настоящее время стекло популярно в различных сферах деятельности человека: медицине, технике, науке, культуре, быту.
Моя гипотеза подтвердилась, цель работы достигнута. Я доказал, что стекло – это вещество с удивительными свойствам. Каждый из нас использует стекло с раннего детства, смотря на мир через окно, выпивая воду из стакана, украшая себя стеклянными бусами. И, наверное, по этой причине мы не замечаем необычного в обычных вещах.
11
Литература.
Кукушкин Ю. Н. Химия вокруг нас: Справочное пособие. – М.: Высшая школа, 2010.
Лисичкин Г. В., Бетанели В. И. Химики изобретают. – М.: Просвещение, 2012.
Стенин Б.Д. Занимательные задания и эффектные опыты по химии. – М. Дрофа, 2002.
Химия для гуманитариев. Сост. Н. В. Ширшина. – Волгоград: Учитель, 2010
Интернет-ресурсы:
http://chem21.info/info/682090/
http://www.mywebs.su/blog/riddles/23629.html
http://mash-xxl.info/article/242071/
12
Приложения
Коллекция «Стекло»
2.Растворение стекла
3.Плавление стекла
13
Получение цветных стекол
Матирование стекол
14