Tlenek krzemu (IV) - SiO2 (szkło)

Dwutlenek krzemu (krzemionka) to substancja stała występująca w trzech odmianach polimorficznych: kwarc, trydymit, krystobalit. Dwutlenek krzemu topi się w temp. 1710oC. Nawet podczas bardzo wolnego ochładzania zestala się na szkliste, bezpostaciowe ciało stałe (szkło kwarcowe), odporne na działanie czynników chemicznych z wyjątkiem fluorowodoru i alkaliów. Szkło kwarcowe ma mały współczynnik rozszerzalności termicznej, dzięki czemu wykazuje dużą odporność na szybkie zmiany temp. Dobrze przepuszcza promienie nadfioletowe.
Tlenek krzemu SiO2 jest głównym składnikiem substancji takich jak krzemień, piasek, kwarc. W zależności od postaci, w jakiej występuje i zabarwienia tlenek krzemu tworzy różne minerały. Jeżeli występuje w postaci krystalicznej, jest nazywany kwarcem. Drobnoziarnisty kwarc jest głównym składnikiem wielu minerałów, m.in. opalu, chalcedonu i agatu. Kryształy kwarcu mogą być bezbarwne, pięknie wykształcone, np. kryształ górski. Mogą być także zabarwione na kolor fioletowy, są to ametysty lub żółty- cytryny.
Odmiany te są stosowane do wyrobów jubilerskich, a także do tworzenia przedmiotów ozdobnych, np. pucharów. Kwarc ma również inne, o wiele ważniejsze zastosowania, np. w przemyśle optycznym do wyrobu soczewek i pryzmatów, oraz w radiotechnice. Ze względu na to, ze SiO2 jest półprzewodnikiem, znalazł zastosowanie w elektronice. Bez niego nie może pracować żaden komputer. Stopiony kwarc służy do wyrobu naczyń i aparatury laboratoryjnej, a także lamp kwarcowych. Dwutlenek krzemu (piasek) jest stosowany do produkcji szkła, szkła wodnego, zaprawy murarskiej, cementu, wyrobów ceramicznych, emalii, form odlewniczych i innych. Jest również surowcem do otrzymywania krzemu i jego stopów.


SZKŁO to substancja, o właściwościach mechanicznych zbliżonych do ciała stałego, powstałego w wyniku przechłodzenia stopionych surowców, głównie minerałów i innych surowców nieorganicznych. Z prostych składników, takich jak: czysty piasek kwarcowy - SiO2, soda - Na2CO3 i wapień - CaCO3, można otrzymać szkło.
Brak uporządkowanej struktury w przestrzeni zbliża szkło do cieczy, natomiast sztywność i kruchość do ciał stałych.
W życiu codziennym termin szkło kojarzy nam się z szybami okiennymi. Jest to dowód na to, że szkło dobrze przepuszcza promienie widzialne (ok.90%).
Szło ma kilka pożytecznych cech: nie przewodzi ciepła ani elektryczności i ma twardą powierzchnię nie reagującą z większością chemikaliów.
Szkło w stanie ogrzewania stopniowo mięknie i powoli przechodzi w gęstą ciecz. W czasie oziębiania ciecz staje się coraz mniej płynna, stopniowo przechodzi w masę plastyczną dającą się formować, aż wreszcie zastyga w postaci zupełnie sztywnej.
Ani w czasie ogrzewania, ani w czasie studzenia szkła nie możemy stwierdzić określonej, stałej temperatury, w której następuje topnienie lub krzepnięcie. Wiemy jednak jak wygląda ułożenie atomów tlenu i krzemu w stanie krystalicznym (a), w stanie szklistym (b).
W stanie krystalicznym atomy ułożone są w kształcie jakiejś figury geometrycznej np. sześcianu, a w stanie szklistym uporządkowane są asymetrycznie.

HISTORIA
Pierwsze ośrodki szklarskie powstały prawdopodobnie w Babilonii i Egipcie prawie 3 000 lat p.n.e. W czasach nowożytnych rozkwit produkcji szkła wiązał się z założeniem hut szkła we Włoszech i na wyspie Murano obejmującej pięć wysp w Lagunie Weneckiej. Rozpoczęto w nich produkcję luster. W Polsce pierwsze wyroby ze szkła odkryto na przełomie X/XI wieku.
Przemysł szklarski na całym świecie zaczął się szybko rozwijać w XX wieku. Wtedy też skonstruowano pierwszą maszynę do automatycznej produkcji opakowań szklanych.
W dzisiejszych czasach do krajów o bardzo wysoko rozwiniętym przemyśle szklarskim należą: USA, Japonia, Rosja, Niemcy, Francja i Wlk. Brytania.
W Polsce wyroby te produkowane są głównie w hutach w Sandomierzu, Piotrkowie Trybunalskim, Krośnie, Wałbrzychu i Szklarskiej Porębie.

HUTY SZKŁA
Obecnie szkło produkuje się w hutach szkła.
Huty szkła to zakłady wytapiające i wytwarzające produkty szklane. Surowce szklarskie po odważeniu i zmieszaniu zasypuje się do pieców szklarskich ogrzanych do temperatury kilku tysięcy stopni Celsjusza i wytapia się masę szklarską. Z tej masy natomiast formuje się odpowiednie wyroby przez prasowanie, ciągnienie, walcowanie, wydmuchiwanie lub wytłaczanie w formach. Po kilku tygodniach stygnięcia i twardnienia, szkło nadaje się do użytku.

BARWA
Barwę szkłu nadają różne składniki.
Po dodaniu manganu(Mn) i niklu(Ni) szkło zabarwi się na fioletowo natomiast po dodaniu żelaza(Fe) i chromu(Cr) na zielono.
Naukowcy opracowali jeszcze wiele innych kombinacji łączenia pierwiastków do otrzymywania różnych kolorów szkła. Dla otrzymania jeszcze większej ilości odcieni szkła dodaje się też bieli cynkowej (ZnO), substancji barwiących oraz odbarwiających. W ten właśnie sposób możemy otrzymać każdy kolor, który jest nam potrzebny.
Dodanie glinu i boru powoduje natomiast wzrost odporności mechanicznej i termicznej szkła, a gdy dodamy tlenku ołowiu, w szkle zmieni się współczynnik załamania światła.
Tak więc dla uzyskania specjalnego rodzaju szkła, wystarczy dodać do niego odpowiednie składniki.

ZASTOSOWANIE SZKŁA
Szkło dzięki swoim cechom znajduje zastosowanie we wszystkich dziedzinach życia.
Jest ono stosowane jako:
optyczne - pryzmaty, soczewki czyli specjalnie uformowane kawałki szkła
okienne - szyby okienne
laboratoryjne - sprzęt laboratoryjny
budowlane - wata szklana, płyty wykładzinowe, izolacja cieplna (szkło piankowe)
stołowe - szklanki, kieliszki, wazony, talerze, ozdobne dzbanki
elektrotechniczne - żarówki, izolatory
butelkowe - butelki
na opakowania - słoiki i inne szklane opakowania, przydatne w różnych dziedzinach życia
Tworzywa sztuczne wzmacnia się włóknami ze szkła. Powstaje wtedy materiał zwany kompozytem, stosowany do budowy karoserii samochodowych.
Materiały ceramiczne są odporne na wysokie temperatury. Płytki ceramiczne chronią wnętrze statku kosmicznego przed nagrzaniem podczas wchodzenia w atmosferę.

RODZAJE SZKŁA
Szkło bezpieczne jest to rodzaj specjalnego szkła, które w wyniku hartowania po rozbiciu rozpada się na małe kawałki o zaokrąglonych, nie kaleczących krawędziach.
Jednym z rodzajów tego szkła jest szkło zbrojone. Jest ono walcowane z wtopioną siatką metalową, co zapobiega rozpryskiwaniu się szkła przy pęknięciu. Szkło to jest głównie stosowane w budownictwie i motoryzacji (szyby samochodowe)

Szkło wodne jest to syropowatej gęstości ciecz będąca wodnym roztworem krzemianu sodu lub potasu. Stosowane jest do ochrony przeciwogniowej tkanin, papy, drewna i do wyrobów kitów i farb ognioochronnych.

Szkło ołowiowe jest łatwo topliwe i ma duży współczynnik załamywania światła. Z tego powodu służy do wyrobu kryształów i soczewek.

Szkło potasowe składa się głównie z K2O(tlenku potasu), CaO(tlenku wapnia) i SiO2(tlenku krzemu). Jest to szkło trudno topliwe, więc znalazło sobie zastosowanie w laboratoriach chemicznych. Jest ono niezastąpione, gdyż nawet na lekcjach chemii często ogrzewamy probówki do wysokich temperatur. Zwykłe szkło w tych warunkach odkształciłoby się i niemożliwe byłoby przeprowadzania doświadczeń laboratoryjnych.

Szkło sodowe ma natomiast niską temperaturę topnienia. Składa się głównie z tlenku: sodu, wapnia i krzemu. Ma bardzo duże zastosowanie w życiu codziennym. Z pewnością sami nie zdajemy sobie sprawy, jak często się z nim spotykamy. Szkło to służy do wyrobu sprzętów codziennego użytku takich jak: szklanki, naczynia i szyby okienne. Również stosujemy je do produkcji opakowań szklanych; butelek i słoików.

Szkło kwarcowe składa się głównie z tlenku krzemu. Jest trudno topliwe. Ma dużą odporność na zmiany temperatury. Cechuje je też dobra przepuszczalność promieni widzialnych. Szkło kwarcowe znalazło sobie zastosowanie w produkcji naczyń laboratoryjnych i elementów aparatury optycznej. Jednak głównie służy do produkcji lamp kwarcowych.

Szkło artystyczne kształtuje się na gorąco z masy płynnej. Wyroby szklane dekoruje się emaliami i złoceniem, szlifowaniem, grawerowaniem, punktowaniem i rysowaniem diamentem. Można też trawić powierzchnię kwasem i matować piaskiem. Współcześnie w wytwarzaniu szkła artystycznego wykorzystuje się przede wszystkim możliwości, które oferuje sam materiał.
Kształtowanie szkła ciekłego daje w efekcie nowe, bogate formy przedmiotów. Produkcja ta może odbywać się automatycznie przy użyciu maszyn lub własnoręcznie.
Przedmioty wykonane przez artystę rzeźbiarza mogą stać się dziełem sztuki. Istnieje już nawet Muzeum Szkła Artystycznego w Murano; mieście, w którym przed wiekami zaczęto produkować szkło.

Bibliografia:
Encyklopedia Powszechna PWN
Mały Słownik Chemiczny
Podręcznik do chemii do klasy VII-VIII