Эмпирическое исследование свойств химико лабораторных стекол

Введение
Химико-лабораторное стекло является одним из важных видов тех-нического стекла, которое применяется для изготовления лабораторной посуды и приборов, а также для химической аппаратуры. Это универаль-ный материал, который обладает рядом преимуществ: термоустойчивость, инертность, прозрачность. Поэтому большинство предметов для лабора-торных исследований изготавливают из стекла.
Химическое стекло находит применение не только в лабораторной практике. Оно используется и непосредственно в различных отраслях промышленности. В последнее время началось широкое применение сте-кол для изготовления крупной промышленной аппаратуры: теплообмен-ников, трубопроводов, дистилляционных колонок, насосов для перекачи-вания агрессивных жидкостей и т.д [2].
Стекло отличается высокой химической устойчивостью к большин-ству органических растворителей, растворам минеральных кислот, за ис-ключением фтороводородной кислоты, а также концентрированных щело-чей. По сравнению с другими материалами стекло обладает высокой про-зрачностью и сравнительно небольшим коэффициентом линейного расши-рения. Твердость и гладкость поверхности облегчает мытье, а прозрач-ность позволяет следить за ходом химического эксперимента.
Недостатками стекла являются его хрупкость и невысокая устойчи-вость к резким изменениям температуры.
Самая распространенная в химических лабораториях посуда выпол-нена из стекла. Стекло отличается от других материалов своей однородной структурой, прозрачностью, удобством очистки, устойчивостью к агрес-сивным средам и малым коэффициентом теплового расширения. Для изго-товления химической посуды используется стекло разного состава и раз-ных марок – это зависит от требований проводимых исследований. Например, для изготовления посуды, которая должна выдерживать высо-кие температуры, часто используется кварцевое стекло.
Целью работы является исследование эмпирических свойств химико-лабораторных стекол.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
- понять, что такое химико-лабораторное стекло;
- изучить характеристику производства стекла;
- в практической части исследовать эмпирические свойства.
 
Глава 1. Общие сведения
1.1 История изготовления стекла
Первое стекло – обсидиан появилось из вулканической лавы и было использовано людьми, чтобы изготовить режущие предметы. Отвечая на вопрос, откуда появилось стекло, ученые выяснили, что это произошло примерно 55 веков назад, на территории Древнего Египта и Месопотамии. Первыми предметами из стекла были небольшие шарики правильной формы. Скорее всего, они практически не имели ценности, потому что об-разовывались случайно в процессе производства керамики и обработки металлов.
Когда впервые появилось стекло, сделанное руками человека, оно было непрозрачным, темным и почти черного цвета. В начале они изго-тавливались на кострах, позднее были созданы специальные стекловарен-ные печи. Из-за малого содержания песка и извести такое стекло плавилось при более низкой температуре.
Исходным сырьем для изготовления стекла служили песок, известь и щелочь - органическая (зола растений) либо неорганическая (сода).
Египетские мастера изготавливали цветное стекло, добавляя в смесь песка и соды железо, марганец или медь. Ответы на вопрос, о том как по-явилось стекло, ученые дают на основании древних рисунков и записей. Технология изготовления находилась под строгим секретом не только са-мих мастеров, но властей древнего государства. Стекло изготавливали только при дворе правящих особ и использовали исключительно в декора-тивных целях.
Самым первым египетские мастера начали изготавливать катаное стекло. Исходное сырье смешивали и неоднократно плавили в тиглях. Только через несколько плавок материал становился достаточно чистым. Из этого сырья изготавливали вазы и украшения. Перед изготовлением необходимого предмета, мастер расплавлял кусок уже готового стекла, сформирововал основу из песка или глины, потом облеплял его мягким разогретым стеклом, надевал на прочный шест и таким образом прокаты-вал по гладкой поверхности. В итоге поверхность самого сосуда станови-лась гладкой. Ее украшали нитями из разноцветного стекла различной толщины. Эти нити вдавливались в еще мягкий разогретый сосуд. Мастер подбирал цвета так, чтобы общий фон и узор контрастировали между со-бой.
Самые первые стеклянные предметы считаются амулеты, украшения и сосуды – вазы, кувшины, кубки, малые сосуды для благовоний, позже начали производить столовую посуду и литые оконные стекла. Когда по-явились первые стекла, они были доступны исключительно представителям знати и считались истинной роскошью, а оконные стекла изготавливались только для храмов.
После появления технологии листовых стекл, византийские мастера научились изготавливать цветные плоские стекла – смальту. Цвет придава-ли ей с помощью золота, меди, железа, ртути и марганца. В Византии про-изводилась смальта нескольких сотен расцветок. В результате этого боль-шее развитие получила мозаика. Для производства картин и фресок смальту отливали в виде листов, раскалывали их на одинаковые фрагмен-ты, а затем из них составляли настоящие произведения искусства [12].
Развитие стекольной отрасли в России датируется XVII столетием, когда в стране началось строительство стекольных заводов, освоение из-вестных на тот период технологий стекловарения, освоение достаточно широкого ассортимента стекольных изделий. Первый стекольный завод в России был построен в 1631 г. в селе Духамино в 50 км от Москвы. В 1669 г. вошел в эксплуатацию завод стеклянной посуды в Измайлово. В период 1706–1720 гг. в России было построено шесть стекольных заво-дов, в том числе пять заводов под Москвой и один на реке Гусь во Влади-мирской губернии. На заводе на Воробьевых горах российские стеклоде-лы освоили производство зеркального стекла площадью более 4,5 м2. Во второй половине XIX в. в России строительство стекольных заводов, осво-ение существующих в мире технологий и становление российской школы ученых в промышленности, в том числе и стекольной, развивается интен-сивно.
Уже в 1879 г. в России насчитывалось 173 стекольных заводов как казенных, так и частных. В СССР продолжалось развитие стекольной от-расли, осваивались новые технологии производства, создавались новые заводы, внедрялось новое высокопроизводительное оборудование, рас-ширялся ассортимент, в том числе с учетом нужд оборонной промыш-ленности. К началу Отечественной войны СССР занимал одно из первых мест в мире. По производству оконного стекла СССР превзошел США. Стекольная промышленность России является достаточно развитой в промышленном отношении отраслью, производящей широкий ассорти-мент стекольной продукции для различных отраслей народного хозяйства и бытовых целей. Стекольная отрасль на производство стекла и стеколь-ных изделий потребляет более 5,0% топлива, почти 9% электроэнергии, 7,5% минеральных ресурсов от общего их объема потребления в стране.
В структуре производства стекольных изделий следует выделить процессы стекловарения и последующей переработки, чтобы создавать стеклянные изделия для отдельных отраслей народного хозяйства, окон-ного листового стекла для остекления промышленных объектов и граж-данского строительства, стекла для автомобильного и рельсового транс-порта, для производства мебели, производства тарного стекла, сортового стекла [8].
1.2 Виды и свойства химико-лабораторных стекол
Стеклянная химическая посуда изготавливается из стекла специаль-ных марок. Стекло получаетя путем переохлаждения расплава, которое состоит из смеси различных оксидов, поэтому стекла имеют названия по основному компоненту (табл. 1.1).
Таблица 1.1 – Названия и основные компоненты стекла
Названия видов стекол Основной компонент стекла
Силикатные Оксид кремния SiO2
Боратные Оксид бора В2O3
Фосфатные Оксид фосфора Р2О5
Комбинированные Например, боросиликатные
Самые распространенные стекла - силикатные, они содержатся более чем на 60% из диоксида кремния. Вторым компонентом этого вида стекла является оксид кальция - (5- 10)%, он придает стеклу блеск и химическую стойкость. Также силикатные стекла содержат оксиды натрия (от 2 до 17%) и калия (от 2 до 9 %). Стекло состоящее на 99,9% из оксида кремния, называется кварцевым и относится к тугоплавким. Это стекло мало чув-ствительно к изменению температуры и устойчиво к действию различных кислот (кроме плавиковой и фосфорной).
Натриевое стекло («содовое») – это силикатное стекло для обычной химической посуды.
Калиевое («поташное») стекло – обладает высокой термостойкостью.
Натриево-калиевое стекло – обладает высокой химической стойко-стью.
К термостойким (огнеупорным) стеклам также относятся боросили-катные стекла, например, тугоплавкое боросиликатное стекло «пирекс», которое имеет высокую механическую и химическую прочность. Оно со-держит не менее 80% SiO2, (12-13)% В2O3, (3-4)% Na2O и (1-2)% Al2O3.
Температура размягчения стекла «пирекс» около 800 °С. Стекло «пирекс» практически непроницаемо до 600 °С для таких газов, как водо-род, гелий, кислород и азот в отличие от кварцевого стекла. Фтороводо-родная и нагретая фосфорная кислоты, водные растворы щелочей (NaOH, КОН - даже 5%- ные) разрушают стекло «пирекс». От резкого охлаждения посуда из этого стекла не разрушается.
В России химико-лабораторное стекло изготавливается в соответ-ствии с ГОСТ 21400 и подразделяется на следующие группы:
ТС – термически стойкое (стекло боросиликатное);
ХС – химически стойкое 1-го, 2-го и 3-го классов;
ТХС - термически и химически стойкое 1-го и 2-го классов.
Химическая стойкость стекла характеризуется способностью проти-востоять разрушающему действию воды, растворов солей, влаги и газов атмосферы. Стойкость стекла к действиям щелочей называется щелочесто-йкостью, а к действию кислот - кислотостойкостью. Увеличение содержа-ния в стекле оксидов щелочных металлов (Na2O или K2O) снижается хими-ческая стойкость стекла. Повышает химическую стойкость введение в со-став стекла оксидов цинка, циркония, магния, бария.
В таблицах 1.2 и 1.3 представлены химический состав, термическая стойкость химико-лабораторного стекла [1].
Химическая стойкость стекла определяются разностью массы образ-ца до и после испытания. Для проведения испытания готовят порошок из стекла или берут массивный образец стекла, взвешивают его и кипятят в агрессивной среде, чаще всего в растворах NaOH, Na2CO3, HCl и дистил-лированной воде. После проведения опыта образец высушивают и взве-шивают. Потеря в массе стекла характеризует его химическую стойкость [10].
Таблица 1.2 - Состав основных марок химико-лабораторного стекла, в %
Груп-па
стекла Марка
стекла SiO2 B2O3 Al2O3 CaO MgO BaO Na2O K2O Fe2O3 ZrO2
ХС1 №29 68,8 3,7 7,5 3,5 3,5 10,0 3,0 0,2
ХС2 Л-80 71,5 2,0 2,5 6,5 2,5 14,5 0,5
ХС3 АМ 72,0 1,5 10,0 2,5 14,0
ТХС1 ТХС1 72,4 8,4 3,6 2,0 4,5 5,1 1,8 1,9
ТХС2 Л-50 74,5 6,6 5,5 0,7 4,5 4,2 4,0
ТС Пирекс 80,64 12,0 2,0 0,36 4,0 1,0
Пирекс 80,5 12,0 2,0 0,5 4,0 1,0
Также химическую стойкость определяют титрованием кислотой (HCl) того раствора, в котором было обработано испытуемое стекло. В этом случае химическая стойкость характеризуется количеством кислоты, затраченной на титрование: чем больше израсходовано кислоты на титро-вание, тем меньше химическая стойкость стекла (табл. 1.4) [1].




Таблица 1.3 - Термическая стойкость стекла ГОСТ
Группа
стекла
Термическая
стойкость
стекла, °С,
не менее* Средний коэффициент линейного
теплового расширения в интервале
температур от 20 до 300 °С,
d∙10-7 град-1 [по ГОСТ 10978-2014]
ХС1, ХС2, ХС3 120 Не более 94
ТХС1, ТХС2 190 Не более 55
ТС 250 33±1
*Термостойкость стекла определяется измерением разности темпера-тур, при которой наступает разрушение нагретого образца стекла при быстром его охлаждении в воде.
Таблица 1.4 - Химическая стойкость стекла
Среда Нормы расхода и потери Химическая стойкость стекла по группам
ХС1 ХС2 ХС3 ТХС1 ТХС2 ТС
Дистиллирован-ная вода при
температуре
(98±0,5) °С
Расход 0,01 н.
раствора НСl на
титрова-ние,
см3/г От 0 до 0,1 От 0 до 0,2 От 0,2 до 0,8 От 0 до 0,1 От 0 до 0,2 От 0 до 0,1
20,4%-ный
раствор HCl при
кипячении
в течение 6 ч Потери массы
образца стекла,
мг/см3 От 0 до 0,004 От 0 до 0,005 От 0 до 0,006 От 0 до 0,005 От 0 до 0,007 От 0 до 0,004
Смесь 1 н.
раствора Na2CO3
и 1 н. раствора
NaOH при
кипячении
в течение 3 ч Потери массы
образца стекла,
мг/см3, не более 0,75 1,0 1,1 0,9 1,2 1,5
В зависимости от способности стекол противостоять разрушающему действию воды и других агрессивных растворов их подразделяют на гид-ролитические классы, которые определяются количеством HCl, пошедшим на титрование.