Неорганическая химия: Бор-свинец-силикатные стекла

1. Введиние -------------------------------------------------- 3

2. Литературный обзор ------------------------------------ 4

3. Экспериментальная часть ------------------------------ 9

4. Заключение (выводы) --------------------------------- 11

5. Список используемой литературы ------------------- 12

1. Введение

Стекло - прозрачный (бесцветный или окрашенный) хрупкий материал. Наиболее распространено силикатное стекло, основной компонент которого оксид кремния. Получают его главным образом при остывании расплава, содержащего кремнезем и часто оксиды магния, кальция, бора, свинца и других. Производство стекла возникло в Древнем Египте около 4000 до нашей эры. Изделия из стекла изготовляют выдуванием, прессованием и отливкой. Стекло широко применяется в различных отраслях техники, строительства, промышленности, в декоративном искусстве, быту (например, оконное, кварцевое стекло). Обработкой кремнеземистого сырья едкими щелочами получают растворимое стекло, водный раствор которого - жидкое стекло . Жидкое стекло - компонент специальных цементов, силикатных красок, глазурей, мыла. Оно используется при флотации, для склеивания бумаги, картона, стекла, дерева (силикатный клей).

Известно, что стекло - это аморфный изотропный материал, получаемый переохлаждением расплавов неметаллических оксидов и бескислородных соединений. Материалами, склонными к переохлаждению и к переходу в стеклообразное состояние, являются главным образом силикаты, бораты, фосфаты.

2. Литературный обзор

Что можно сказать об обычном строительном стекле? Для изготовления такого стекла основным сырьем служат: кварцевый песок, известняк, сода или сульфат натрия. Варка строительного силикатного стекла происходит в стекловаренных печах при температуре до 1500 °С. Строительное стекло как строительный материал отличается долговечностью, высокой стойкостью к воздействию влаги, солнечной радиации, перепаду температур, морозостойкостью, невозгораемостью, жесткостью. Плотность обычного стекла - 2500 кг/м². Основными оптическими показателями стекла являются: светопропускание (прозрачность), светопреломление, отражение, светорассеивание. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Показатель преломления строительного стекла 1,46-1,53. Стекло плохо сопротивляется удару, т.е. оно хрупкое: прочность при ударном изгибе составляет около 0,2 МПа. Стекло обладает высокой прочностью на сжатие - 700-1000 МПа и малой прочностью при растяжении - 35-85 МПа. Теплопроводность обычного стекла при температуре до 100оС составляет 0,4 - 0,82 Вт/(моС).

Стекла различаются по своему химическому составу, т.е. массовым или процентным содержанием оксидов, что влияет на его химические и физические свойства. Например, рассмотрим зависимость температуры размягчения легкоплавких стекол от различного содержания оксидов:

PbO	B₂O₃	SiO₂	Tразм, °С
83,5	12,0	4,5	484
86,0	10,6	3,4	486
87,5	11,4	1,1	488
75,0	15,0	10,0	540
92,7	7,3	¾	565
86,6	13,4	¾	497
93,7	6,3	¾	560
61,4	38,6	¾	768
70,4	¾	29,6	732
88,1	¾	11,9	723
91,8	¾	8,2	714

Существует множество видов стекол, которые охватывают весь спектр применения их в народном хозяйстве. Расскажу о некоторых из них:

Закаленное стекло, обладающее повышенной термостойкостью, получают путем нагрева стекла до температуры закалки (540-650 °С) и последующего быстрого равномерного охлаждения. Этим добиваются однородного распределения внутренних напряжений в стекле. Прочность при ударе и предел прочности при изгибе закаленного стекла в 3-4, иногда в 10-15 раз выше, чем обычного. Разрушается в виде мелких осколков с тупыми нережущими краями. Термостойкость - до 175 °С. Применяется в строительстве (двери, перегородки, ограждения), для остекления городского транспорта.

Теплозащитное стекло по своему составу отличается от обычных стекол содержанием окислов железа, кобальта и никеля, благодаря чему приобретает слабый сине-зеленый оттенок. Теплопоглощающее стекло задерживает 70-75% инфракрасных лучей, т.е. в 2-3 раза больше, чем обычное оконное стекло, 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.

Термостойкое (боросиликатное) стекло содержит окись рубидия, окись лития и др. Термостойкие стекла имеют коэффициент линейного расширения около 2-4 х 10-6 С-1 , т.е. 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.

Увеолевое стекло - стекло с повышенной прозрачностью в ультрафиолетовой биологической области спектра (при длинах волн 380-240 нм). Изготавливают его на основе кварцевого, силикатных, боросиликатных, фосфатных стекол, не содержащих примесей соединений, поглощающих УФ-лучи (окислов железа, титана, хрома). Увеолевое стекло пропускает 25-75% ультрафиолетовых лучей.

Триплекс - безопасное безосколочное стекло с высокой тепло- и шумоизоляцией.

А вот ниже в таблице приведены некоторые свойства стекол:

Таблица 1. Гидролитическая стойкость стекла

Категория	Характеристики стекла	Степень выщелачивания, мг Na₂O
1	Очень стойкое к действию воды	0 - 0,03
2	Стойкое стекло	0,03 - 0,06
3	Тугоплавкое для приборов	0,06 - 0,26
4	Легкоплавкое для приборов	0,26 - 0,62
5		Свыше 0,62

Таблица 2. Стойкость стекла к кислотам

Категория	Характеристики стекла	Количество стекла, перешедшее в р-р, мг/1000 см²
1	Стойкое к действию кислот	0 - 0,7
2	Слаборастворимое в кислотах	0,7 - 1,5
3	Умеренно (или сильно) растворимое в кислотах	Больше 1,5

Таблица 3. Стойкость стекла к щелочам

Категория	Характеристики стекла	Количество стекла, перешедшее в р-р, мг/1000 см²
1	Слаборастворимое в щелочах	0 - 0,7
2	Умеренно растворимое в щелочах	0,7 - 1,5
3	Сильнорастворимое в щелочах	Больше 1,5

Рассмотрим свойства компанентов, составляющих легкоплавкое бор-свинец-силикатное стекло:

Оксид свинца PbO. Он находится в виде желтых кристаллов ромбической системы (пл. 8,0 г/см³) или красных кристаллов тетрагональной системы (пл. 9,53 г/см³). Его Тпл.=890°С, Ткип.=1473°С. PbO мало растворим в воде и обладает способностью поглощать на воздухе CO₂. Это соединение растворимо в горячих щелочах и кислотах, например: HNO₃, CH₃COOH, HCl. Его можно получить следующим образом:

Подействуем щелочью на ацетат свинца:

Pb(CH₃COO)₂ + 2KOH = Pb(OH)₂¯ + 2CH₃COOK

Затем прокалить осадок в никелевой чашке при температуре 750-800°С в течение 2-3 часов:

Pb(OH)₂¯ = PbO + H₂O

Оксид бора B₂O₃. Это хрупкое твердое бесцветное стеклоподобное вещество. Его плотность равна 1,844 г/см³. Кристаллический оксид бора имеет Тпл.=450°С, Ткип.=1860°С. Он довольно неплохо растворяется в воде и спирте. Приготовить его можно длительным прокаливанием борной кислоты:

2H₃BO₃ = B₂O₃ + 3H₂O

Оксид кремния SiO₂ (кремнезем). Это соединение состоит из бесцветных кристаллов гескагональной формы или находится в виде белого аморфного порошка. Пл.=2,20-2,65 г/см³. Тпл.=1500-1710°С, Ткип=2230-2600°С. Данный реактив растворим в воде, плавиковой кислоте HF и растворах щелочей. Получить его можно измельчением природного кварца или горного хрусталя, из кварцевого песка (для этого его кипитят с HCl, затем сушат при 106-120°С), а также прокаливанием кремниевой кислоты в тигле при температуре 900-1000°С.

H₂SiO₃ = SiO₂ + H₂O

3. Экспериментальная часть

Моей задачей служит получение легкоплавких бор-свинец-силикатных стекол. Для этого необходимо взять следующие реактивы: оксид свинца, оксид бора и оксид кремния (кремнезем). Поместить их в фарфоровую ступку и тщательно перетереть. Затем пересыпать в фарфоровый тигель и нагреть (либо на газовой горелке, если температура сплавления менее 500°С, либо в электропечи, если температура сплавления превышает 500°С) Заметим, что оксиды должны быть хорошо прокаленными, иначе масса может вспучиться и вылиться из тигля. Для моей работы я выбрал наименьшую температуру размягчения 484°С, что соответствует следующему процентному содержанию оксидов: PbO 83,5%, B₂O₃ 12%, SiO₂ 4,5%. После того, как смесь достигла сплавления, её выливают на керамическую пластинку или плитку.

Кроме того, с помощью добавления пигментов, можно получить стекла с различной окраской. Для этого в исходную смесь добавляют красящее вещество в количестве, приведенном в таблице:

Окраска стекла	Пигмент	Содержание пигмента, % масс.
Cиняя	CoO	0.003-0.1
Голубая	CuO	0.1-0.5
Сине-зеленая	FeO или NiO	0.2-0.3
Зеленая	Cr₂O₃	0.1-0.5
Желто-зеленая	Fe₂O₃	0.3-0.5
Желтая	Ag	0.1-0.3
Красная	MnO₂	0.5-2
Розово-красная	Se	0.5-1
Коричневая	S	1-2
Молочное стекло	SnO₂ или тальк	5-6

Для того чтобы определить состав стекла, нужно взять небольшой кусочек полученного стекла и проделать следующее:

1) Докажем, что в состав стекла входит бор. Для этого нужно к образцу стекла прилить воды и нагреть, при этом часть ионов переходит в раствор. В результате образуется борная кислота:

B₂O₃ + 3H₂O = 2H₃BO₃

Затем раствор подкислим 1-2 каплями концентрированной серной кислоты и добавим спирта:

H₃BO₃ + 3C₂H₅OH + H₂SO_4(конц.) = B(OC₂H₅)₃ + 3H₂O

В результате данной реакции получается борноэтиловый эфир, качественной реакцией на который является его горение ярко-зеленым пламенем.

2) Теперь необходимо доказать присутствие свинца.

Для этого я проделал следующий опыт: Прилил к кусочку стекла концентрированную уксусную кислоту, в результате образовался ацетат свинца:

PbO + CH₃COOH = Pb(CH₃COO)₂ + H₂O

А затем к полученному раствору добавим KI. Качественной реакцией ионоы Pb²⁺ является образование осадка ярко-желтого цвета:

Pb(CH₃COO)₂ + 2KI = PbI₂¯ + 2CH₃COOK

4. Заключение

В результате проведенного мной эксперимента удалось не только получить легкоплавкие стекла различного цвета, но и доказать с помощью качественных реакций их состав. Стекло отличается высокой долговечностью, морозостойкостью, невозгораемостью, жесткостью, а также стойкостью к воздействию влаги, солнечной радиации, перепаду температур. Все это делает стекло очень значимым материалом в народном хозяйстве. Оно повседневно используется человечеством в быту, в строительстве, в транспорте, в оптических приборах.

5. Список литературы

1. Брауэр "Руководство по неорганическому синтезу" том 1 Москва "Мир" 1985
2. Горячев, Зайцев "Руководство по неорганическому синтезу"
3. Корякин "Особо чистые вещества"
4. Ахметов "Общая и неорганическая химия"

29.06.2015