Производство стекла в Забайкалье

Не  меньше  польза в  нём, не меньше в нём  краса...

М.В. Ломоносов "Письмо о  пользе стекла."

I. Мотивация  мероприятие

Учитель. Посмотрите  на изображения  красивых предметов  нашего  быта (рис.1).  Как вы  думаете, если у  вас было бы  плохое  настроение ии вам подарили бы эти предметы, что бы  вы при этом  почувствовали? Почему?

Для того чтобы  художник и ремесленник могли  создать  такую красоту, они должны  обладать очень многими  практическими знаниями, и  прежде всего о  свойствах стекла. Без развития науки   невозможно   было бы появление многих произведений искусства, в  том числе и таких прекрасных, как вы только что увидели.

II. Объявление  мероприятия,  целеполагание.

Учитель. Тема  мероприятия: "Стекло: состав, свойства".

Используя приём ЗХУ,  заполните таблицу 4.

 

III. Актуализация  знаний.

Физические  свойства  стекла:

•   хрупкое;
•   t пл.( оконное стекло)=425-600⁰С;
•   p=2,2-8г/см³

Стекло обладает механическими  свойствами твердых веществ, но имеет структуру переохлажденных жидкостей, менее упорядоченную, чем у кристаллов, но более упорядоченную, чем жидкости; при охлаждении расплава стекла вязкость его увеличивается очень быстро и составляющие его молекулы не успевают перестроиться и образовывать кристаллическую решетку. Поэтому стекло- вещество аморфного строения.

Что значит аморфное строение? Почему у стекла нет определенной температуры плавления и плотности? О чем нам это говорит?

Вывод: стекло- это твердое  аморфное вещество со специфической  структурой.

IV. Изучение нового материала.  Осознание и осмысление.

Учитель. Посмотрите на таблицу 5, в которой представлен состав различных стекол.

 

Ответьте на вопросы.

• Какие наиболее распространенные виды стекла вы знаете? (Ответ: строительное (листовое, блоки, пеностекло, трубы и др.): техническое (оптическое, лабораторное, электротехническое и т.д.), стекловолокно; тарное; сортовое ( для стеклянной посуды); специальное (лазерное, фотохромное, оптически активное и др.).
• Какое вещество является основой стекла (т.е. присутствует в составе любого стекла)?                                               

(Ответ: диоксид кремния (SiO₂))

• Благодаря каким свойствам именно это вещество является основой стекла?                                                                           (Ответ: прозрачность затвердевшего расплава, его физико- химические свойства)
• Почему трудно варить стекло из чистого диоксида кремния?                                                                            (Ответ: из-за очень высокой температуры плавления (около 1700 ⁰С)

С какой целью в стекло добавляются оксиды щелочных и шелочно-земельных металлов?                                        (Ответ: для понижения температуры варки стекла).

Давайте подведем некоторые  итоги.

Учащиеся записывают в  тетради: состав стекла.

1. Основа -SiO₂ (t пл. = 1728 ⁰С).

1. Обязательные компоненты:

Оксиды щелочных металлов, понижающие температуру варки стекла.

• Оконное стекло - Na₂O, CaO, Al₂O₃;
• Хрустальное стекло - K₂O, PbO;
• Лабораторное стекло- Na₂O, CaO, K₂O, Al₂O_3, B₂O₃;

Оптичекое стекло - PbO, K₂O;

3. Вещества, придающие особые  свойства:

PbO- хорошие светопреломления при содержании до 30% ; при более высоком содержании- поглощении y-излучения радиоактивных атомов;

BaO, TiO₂- термическая устойчивость;

B₂O₃- устойчивость к перепадам температуры, защита от запотевания

4.Вспомогательные компоненты:

осветлители- As₂O₃, KNO₃, (NH₄)₂SO₄, Na₂SO₄, NaCl -способствуют удалению из стекла мелких пузырей в период варки;

обесцвечиватели - Sb₂O₃, MnO₂, GeO₂ - способствуют удалению нежелательных цветных оттенков;

красители- применяют для получения цветного стекла.

Учитель. С древних времен стекла окрашивали, добавляя в раствор  соединения металлов, чаще всего оксиды. Например, в современном производстве используют:

• желтый- CrO₃, NiO, Fe₂O₃$
• голубой - CuO, CoO;
• зеленый - FeO, Cr₂O₃, CuO;
• оливково- коричневый - V₂O₃, V₂O₅

фиолетовый и сиреневый - NiO, Mn₂O₃.

Окраска стекла зависит не только от вида оксида- красителя, но и  от его количества. Например, оксид  кобальта (II) в малых количествах дает голубое стекло, а в больших - фиолетово-синее. Оксид меди (II) в натриево- кальциевом стекле дает голубой цвет, а в калиево- цинковом - зеленый.

Окраску стеклу придают и  чистые металлы в колоидном состоянии. Так, золото и медь при колоидном распределении придают красивый красный цвет. Такие стекла называют золотым и медным рубином. Серебро в колоидном состоянии окрашивает стекло в желтый цвет. Селен в виде колоида придает розовую окраску, а в виде соединения с кадмием (CdS*3CdSe)- красную (селеновый рубин).

Цветное стекло широко используется при изготовлении витражей (рис2).

Старинная легенда, поведанная античным историком Плинием Старшим (I в), гласит: "...много сотен лет  назад финикийские купцы плыли  по морю и вышли на остров отдохнуть  и запастись едой. Для приготовления пищи на песчаном берегу они быстро сложили очаг. За неимением камней для устройства очага мореплаватели воспользовались глыбами соды. Когда костер остыл, в золе купцы обнаружили маленькие прозрачные маленькие кусочки стекла. Это было первое стекло, полученное человеком..."

Как вы думаете могло ли такое быть на самом деле? Почему?

(Ответ: пламя очага  обеспечивает температуру, необходимую  для образования стекла, а песок  и сода являются необходимыми  компонентами стекла.)

          История стекла

Согласно новейшим археологическим  данным, стекло было впервые получено человеком около 6 тыс. лет назад.

В гробнице египетской царицы Хатшепсут, жившей 3,5 тыс. лет назад, были найдены бусины из зеленоватого стекла. Во времена Нефертити и Тутанхамона из стекла делали не только бусы, но и кольца, кубки, сосуды и другие изделия. По египетской технологии стекло варили из трех основных компонентов: кварцевого песка, извести и соды. Онон содержало до 30% оксидов щелочных металлов и только 3-5% извести. Такое стекло было мало устойчивым в воде и довольно хрупким.

 На Русь стекольное  производство пришло из Византии. Многие храмы X-XI вв. украшали мозаики.  Это стекло было калиево-свинцово- силикатным. Татаро-монгольское нашествие прервало развитие стекольного производства на несколько веков. Возрождается онон только в XVII в.. В 1635г. близ Можайска был построен первый в России стекольный завод, в 1668г. был построен Измайловский завод под Москвой, в 90-х гг. XVIIв -завод у Тайницких ворот в Москве. Важнейшую роль в дальнейшем развитии стеклоделия в России сыграл государственный стекольный завод, заложенный в первые годы XVIIIв. Петром I на Воробьевых горах. Этот завод стал образцом для других стекольных предприятий страны.

Большой вклад в развитие стеклоделия внес М.В.Ломоносов. Он заинтересовался получением смальт-цветного стекла, которое использовалось для создания мозаичных картин. Задача эта вполне подходила характеру и вкусам Ломоносова: в ней переплеталось изобразительное искусство с химией цветного стекла, оптикой и техникой. Ученому пришлось выполнить многие тысячи пробных плавок разных сортов цветного стекла. В 1752г. Ломоносов с разрешения императрицы Елизаветы Петровны открывает стекольный завод в Усть-Рудице под Петербургом. В своем доме на Мойке он создал одну из задуманных им мозаик - "Полтавскую баталию"- из смальт, полученных по собственной новаторской технологии. В середине XIXв в России работало уже 153 стекольных завода.

    Задания для  работы по группам.

Вариант 1.

1. Прочитайте текст. 

2. Ответьте на вопросы.  Обсудите ответы в группах.

3. Выберите, кто будет  устно отвечать на вопрос.

4. Запишите в тетради  уравнение соответствующих реакций.

В Древнем Египте в IV тысячелетии  до н.э. многие изделия из глины покрывались  глазурью; именно ее специалисты считают  предшественницей первого стекла.  Глину смешивали с речным песком (SiO₂), содой (Na₂CO₃) и небольшим количеством извести (CaCO₃). Смесь тщательно перемешивали, увлажняли, формовали из нее фигурки и обжигали в печах. Оксиды натрия и кальция выступали на поверхности, сплавлялись с оксидом кремния и образовывали стекловидную корочку. Эта корочка и была первым стеклом.

Вопрос. Какие вещества образуются при варке стекла? Дайте их химические названия.

Ответ. Химические процессы, происходящие при варке стекла (сырье- песок SiO₂, сода Na₂Co₃ или поташ K₂CO₃, CaCO₃- сплавляются при t=1200-1300 ⁰C):

Na₂CO₃+SiO₂= Na₂SiO₃+ CO₂

(K₂O₃+SiO₂= K₂SiO₃+ CO₂),

CaCO₃+SiO₂= CaSiO₃+ CO₂,

Na₂SiO₃+CaSiO₃+ 4SiO₂= Na₂O*CaO*6SiO₂.

    Вариант 2.

1. Прочитайте текст.

2. Ответьте на вопрос. Обсудите ответы в группах.

3. Выберите, кто будет  устно отвечать на вопрос.

4. Запишите в тетради  уравнения соответствующих реакций.

Стекла, изготовлявшиеся  в Египте, Месопотамии и Финикии, существенно отличались от современных. Древнейшее стекло было непрозрачным, содержало много пузырьков и имело зеленоватый оттенок, который придает ему примесь оксида железа (II). С незапамятных времен для получения бесцветного стекла мастера использовали минерал пиролюзит, содержащий оксид марганца (IV) MnO₂,который называли "стекольным мылом". 

На современных мероприятиях для получения бесцветного стекла в состав шихты (смеси из которой  получают стекло) вводят оксид марганца (IV) MnO₃ или нитрат калия KNO₃. В процессе варки эти соединения разлагаются с выделением кислорода, который взаимодействует с оксидом железа (II).

Вопрос. Какую роль выполняют  оксид марганца и нитрат калия  с точки зрения протекающих в  расплаве реакций?

Ответ: Химические процессы, происходящие при обесцвечивании стекла:

2KNO₃=2KNO₂+O₂

2MnO₂= 2MnO+O₂

4FeO+O₂= 2Fe₂O₃.

             Вариант 3

1. Прочитайте текст.

2. Ответьте на вопросы.  Обсудите ответы в группах.

3. Запишите в тетради  уравнения соответствующих реакций.

4. Выберите, кто будет  отвечать на вопрос перед классом.

Уже в XVIIв. в европейских стеклодувных мастерских широко использовался метод травления стекла плавиковой кислотой (HF). Во второй половине XIX в. большую известность в деловых кругах приобрел французский дизайнер Эмиль Галле, разработавший технологию изготовления многослойных, украшенных цветным рельефным рисунком стеклянных ваз. Растительные и пейзажные мотивы в этой технологии получали путем травления и удаления слоев стекла вокруг силуэтного узора.

Вопросы.

1.Почему флористоводородную кислоту называют плавиковой?

2. В какой таре можно  хранить  плавиковую кислоту?

3. Каким уравнением можно  описать процесс травления стекла?

Ответ. Название "плавиковая кислота" происходит от плавикового шпата, из которого получают фтористый водород.

Хранят и транспортируют плавиковую кислоту в полиэтиленовой таре.

Na₂O*CaO*6SiO₂+28HF=Na₂SiF₆+CaSiF₆+4SiF₄+14H₂O/

        Вариант 4.

1. Прочитайте текст.

2. Ответьте на вопросы.  Обсудите ответы в группах.

3. Запишите в тетради  уравнения соответствующих реакций.

4. Выберите, кто будет  отвечать на вопрос перед классом.

Первые металлические  зеркала из бронзы и серебра получили распространение у народов Древнего Востока в III тысячелетии до н.э. В  начале нашей эры в Римской  Империи появились маленькие  стеклянные зеркала с оловянной  основой. Вновь появились зеркала  только в XIIIв. Начиная с XV лучшие зеркала производились в Венеции. Их отражающая поверхность изготавливалась из оловянной амальгамы (т.е. сплава олова с ртутью). Для получения зеркал на поверхность стекла наносили амальгаму, затем предмет нагревали. При этом слой олова прочно сплавлялся со стеклом. способ покрытия стекла тонким слоем серебра был найден только в 1846 г. Понадобилось почти  10 лет, чтобы французский химик Франсуа Птижан и знаменитый немецкий ученый Юстус Либих разработали простой способ нанесения металла на стеклянную поверхность.