Приготовление окрашенного легкоплавкого стекла

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Приготовление окрашенного легкоплавкого стекла

Ващенко Е.Д. 1
1МБОУ ДО "Центр естественных наук" г. Тарко-Сале Пуровского района
Карамова Л.Ф. 1
1МБОУ ДО "Центр естественных наук" г. Тарко-Сале Пуровского района

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Стекло - вещество и материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, - универсальный в практике человека. Структурно-аморфно, изотропно; все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии - от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного - в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты). Температура варки стёкол, от 300 до 2500°C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и других).

Актуальность данной работы связана с широкой областью применения этого вещества.

Гипотеза: возможность в школьной химической лаборатории выплавить стекло.

Цель работы выплавить стекло с заранее заданными характеристиками.

Поставленные задачи:

изучить литературу по теме работы;

выяснить какие вещества необходимы для получения стекла, а также изучение их свойств;

узнать при помощи каких химических реакций и при каких условиях можно получить стекло;

изучить количественный состав стекла;

пройти технику безопасности по работе с нагревательными приборами;

экспериментально получить окрашенное легкоплавкое стекло.

Объект исследования: легкоплавкое окрашенное стекло.

Предметом исследования являются: речной песок, кварц, оксид свинца(II), борная кислота, красители.

Методы исследования:

анализ;

наблюдение;

эксперимент;

описание.

Основные этапы исследования:

анализ научной литературы;

экспериментальное получение окрашенного легкоплавкого стекла;

оформление результатов проекта;

представление результатов проекта.

Значимость работы. Данная работа носит как теоретический, так и прикладной характер, так как изучались научные данные о свойствах стекла; проведены эксперименты, подтверждающие свойства данного вещества, на основе полученных данных сделаны выводы.

Структура работы: работа изложена на 12 страницах компьютерного набора и состоит из введения, двух глав, вывода, списка литературы, приложений.

Глава 1. Обзор литературы

1.1 История стекла

В настоящее время считается, что родиной стекла является Месопотамия, хотя до недавнего времени основным центром возникновения стеклоделия считался исключительно Древний Египет.

Прежде всего, следует признать, что не человек изобрел стекло. Стекло родила сама природа. Первое стекло образовалось из раскаленной лавы, вырвавшейся на поверхность сотни миллионов лет назад. Правда, было оно не прозрачным, а вовсе даже мутным, почти черным. Это вулканическое стекло теперь называют обсидианом.

Позднее человек стал изготавливать стекло сам. Первое упоминание о стекле, полученном руками человека, дошли до нас из описаний Плиния. В своих описаниях Плиний рассказал, будто однажды финикийские мореплаватели везли из Африки природную соду. Высадившись на берег на ночлег, они принялись готовить пищу. Вокруг был один песок. Камней под рукой у них не оказалось, и они поставили котел на куски соды. Под воздействием высоких температур песок и сода расплавились, образовав стекло. Неизвестно, достоверно, этим или иным путем появилось на Земле стеклоделие.

1.2 Основные виды стекол

По форме стекла делятся на 4 класса:

Листовое стекло.

Полое стекло.

Массивное стекло.

Волокнистое или пористое стекло.

Классификация стекла по назначению:

строительное;

тарное;

бытовое;

художественное (хрусталь, цветное стекло);

химическое;

оптическое;

стекла специального назначения.

1.3 Физико-химические свойства стекла

Стеклом называют прозрачный, бесцветный или окрашенный сплав силикатов. Вещества образующие стекла, называются стеклообразователями: B2O3, SiO2, P2O5, Al2O3, V2O3 и некоторые другие.

При образовании стекол катионы одно-двухвалентных металлов располагаются в силикатной решетке в соответствующих пустотах, не нарушая каркас из молекул стеклообразователя, в который входят ионы щелочных и щелочноземельных металлов. В составе стекла кремнезем может быть частично заменен или полностью оксидом бора B2O3, оксидом алюминия Al2O3 и др. стеклообразующими оксидами.

Состав стекла, как сплава, может меняться в зависимости от содержания компонентов. Меняя состав можно получать бесцветные и окрашенные стекла, прозрачные и матовые, легкоплавкие и термостойкие, пропускающие и поглощающие ультрафиолетовые лучи.

Характерным свойством стекла является то, что при охлаждении оно густеет постепенно, делается вязким и превращается в твердую однородную массу. Это свойство стекла используется, и путем выдувания, отливки, прокатки и прессовки, изготавливая различные изделия.

Оконное стекло состоит в основном из оксидов натрия и кальция, сплавленных с кремнеземом (Na2O*CaO*6SiO2).

При частичной замене Na2O на K2O увеличивается блеск стекла. Его прочность, облегчается его обработка. Из такого стекла приготавливают оптические стекла, химическую и хрустальную посуду и др.

При введении PbO снижается температура плавления стекла, увеличивается блеск и преломление стекла. Из калиево-свинцового стекла изготавливают хрусталь.

Для увеличения термической и химической стойкости стекла в его состав вводят оксиды: B, Mo, Zn.

1.4 Сырье для производства стекла

Материалы для производства стекла делятся на основные и вспомогательные. К основным относятся оксиды: которые могут самостоятельно образовывать стекло и оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, которые образуют стекло только совместно с указанными оксидами.

Основными видами сырья являются:

1. Песок кварцевый – SiO2.

2. Сода Na2CO3 (источник оксида натрия).

3. Известняк, мер и мрамор CaCO3 (источник оксида кальция).

Вспомогательными материалами являются: осветители, окислители, восстановители, красители, глушители. Они вводятся в шихту в небольших количествах и придают специальные свойства стеклу.

Осветители вводят в расплав стекла для удаления газовых включений, образующихся при варке. В качестве окислителя применяют: натриевую селитру, хлористый аммоний, оксид марганца (IV), оксид мышьяка (IV). Эти вещества при варке выделяют газы, образующие крупные пузырьки, которые поглощают растворенные в стекломассе газы.

Окислители или обесцвечиватели служат для получения бесцветного стекла. К ним относятся натриевая и калиевая селитра, оксиды мышьяка, оксид сурьмы. При нагревании они выделяют килород.

2NaNO3=2NaNO2+O2

Который окисляет оксид железа (II) в оксид железа (III), так как FeO (II) окрашивает в зеленый цвет.

4FeO+O2=2Fe2O3

Красители – в основном оксиды металлов, которые вступая в химические соединения с силикатами, окрашивают стекломассу.

Важнейшие из них следующие:

Таблица 1.1

Красители

п/п

Красители

Количество оксида (в г)

Окраска стекла

1

Оксид железа (II) FeO

0,02-0,03

Зеленая, голубая

2

Оксид железа (III) Fe2O3

0,03-0,05

Желто-зеленая

3

Оксид никеля (II) NiO

0,02-0,03

Фиолетовая

4

Оксид меди (II) CuO

0,01-0,2

Голубая до синего

5

Оксид кобальта (II) CoO

0,01

синяя

6

Оксид меди в присутствии восстановителей

0,01-0,2

Красная, рубиновая

7

Оксид хрома (III) Cr2O3

0,01

Зеленая

8

Оксид марганца (IV) MnO2

0,001-0,002

Пурпурно-фиолетовая

9

Оксид марганца (II) MnO

0,001-0,003

Желтоватая

10

Серебро в виде соли

0,01-0,03

Желтая

11

Золото в виде соли

0,003

Красная, рубиновая

12

Селен металлический

0,01-0,05

Розовая, рубиновая

13

Сера

0,2

Черная

Восстановители применяют для разложения стеклообразующих сульфатов и восстановления некоторых окислов-красителей (CuO, AgNO3).

Ими являются древесный уголь, опилки, кокс, алюминий, олово и др.

Глушители служат для получения опаловых, матовых стекол. Ими являются криолит (Na3AlF6), плавиковый шпат (CaF2), фосфат кальция (Ca2(PO4)2), окислы цинка, олова – ZnO, SnO.

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Получение легкоплавкого стекла

Оборудование и реактивы:

муфельная печь;

сито;

тигельные щипцы;

электронные весы;

тигель фарфоровый;

фарфоровая ступка с пестиком;

песок (SiO2);

оксид свинца РbО;

борная кислота Н3ВО3;

набор красителей (Cr2O3, CoO, NiO).

Для приготовления прозрачных и легкоплавких стекол можно рекомендовать следующие смеси, которые представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Борсвинцовосиликатные смеси

п/п

Состав (в %)

Температура

плавления, 0С

PbO

H3BO3

SiO2

1

84,5

11,0

4,5

484

2

86,0

10,6

3,4

486

3

87,5

11,4

1,1

488

4

75,0

15,0

10,0

540

Ход работы:

1. Произвести расчет шихты, необходимой для получения 10 г стекла, с учетом состава исходного сырья.

2. Реактивы растереть в ступке и просеять через сито.

3. На весах в соответствии с расчетом взвесить исходные компоненты с точностью 0,1 г. Тщательно размешать их на листе бумаги или в ступке. Затем 10 г смеси высыпать в фарфоровый тигель и поместить в нагретую печь на керамическую подставку, так как масса при расплаве пенится (особенно когда используется борная кислота), может перелиться через край тигля, и испортить футеровку печи.

4. Стекломасса после плавления должна быть совершенно однородной. Для этого ее выдерживают в расплавленном виде 30 мин. Варка ускоряется при перемешивании стекломассы проволокой. Для проверки готовности стекла делают пробу на провар. Для этого в стекломассу погружают металлическую проволоку, а затем, быстро удаляя ее, вытягивают стеклянную нить. Если нить не имеет утолщений, узелков – значит, стекломасса проварилась.

5. После окончания варки тигель нужно вынуть из печи и стекло вылить на керамическую плитку.

Для получения окрашенного стекла к приготовленной шихте, дающей прозрачные стекла, нужно добавить оксид, сообщающий стеклу желаемою окраску (Глава 1 Табл. 1.1). Интенсивность окраски зависит от количества добавленного оксида. Для равномерного окрашивания, оксид перетирают с шихтой, но его можно добавить и в расплавленную массу при осторожном покачивании тигля. Расчетные данные представлены в таблице 2.2-2.4.

Таблица 2.2

Расчет №1

п/п

Состав (в г)

Температура

плавления, 0С

PbO

H3BO3

SiO2

Cr2O3

1

8,60

1,06

0,34

0,01

486

Таблица 2.3

Расчет №2

п/п

Состав (в г)

Температура

плавления, 0С

PbO

H3BO3

SiO2

CoO

1

8,60

1,06

0,34

0,01

486

Таблица 2.4

Расчет №3

п/п

Состав (в г)

Температура

плавления, 0С

PbO

H3BO3

SiO2

NiO

1

8,60

1,06

0,34

0,03

486

Заключение

В своей проектной работе мы проанализировали литературу. Изучили характеристики стекла, виды, его физико-химические свойства, а также процесс создания легкоплавкого стекла.

Проведённый эксперимент позволяет убедиться в том, что стекло представляет собой переохлажденную жидкость с высокой степенью вязкости, что придает ему характер твердой массы.

Стекло это не только широко применяемое оконное или бутылочное стекло, но это и оптическое, лабораторное стекло необходимые науке и медицине; это цветные стекла для изготовления витражей, бижутерии, посуды, сувениров, многие из которых стали настоящими произведениями искусства.

Список литературы

Белоцветов В.Б., Бесков С.Д., Ключников Н.Г. Химическая технология. М. 2000 г.

Николаева М.В., Кузьмина Р.Ф., Кусаинова К.М. «Стекло – современный конструкционный материал» // научно-методический журнал «Химия в школе» № 4, 2004 г., стр 48 – 54.

Логинов Н.Я., Ключников Н.Г. Практикум по химической технологии. М. 1999 г.

Ломоносов М.В. «Письмо о пользе стекла» // Сочинения. – М.: Современник, 1987 г., стр. 134 – 144.

Парменов К.Я., Сморгонский Л.М., Цветков Л.А. Книга для чтения по химии. Часть 2. М. «Просвещение», 1971 г.

Ширшина Н.В. Сборник элективных курсов. В. «Учитель», 2005 г.

Приложение

Рисунок 1.1 Взвешивание компонентов стекла.

Рисунок 1.2 Растирание в ступке смеси.

Рисунок 1.3 Необходимые компоненты для стекла.

Рисунок 1.4 Полученные окрашенные стекла.

13

Просмотров работы: 72