Лабораторные работы по общей химической технологии (стр. 7 )

Теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо подвести к единице массы тела для повышения его температуры на один градус. В зависимости от состава удельная теплоемкость силикатных стекол находится в пределах 0.3-1.05 кДж/(кг·К).

Электропроводность характеризует способность стекла пропускать электрический ток под действием электрического поля и представляет собой величину, обратную электрическому сопротивлению. Как правило, силикатные стекла являются ионными проводниками и принадлежит к классу диэлектриков. Переносчиками тока выступают катионы щелочных и щелочноземельных металлов. Удельное электрическое сопротивление их 108-1018 Ом·м.

К оптическим постоянным стекла относятся показатель преломления, общие и частные дисперсии и коэффициент дисперсии. Кроме того, оптическим характеристикам являются пропускание (или поглощение), рассеяние и отражение света как результат взаимодействия электромагнитного излучения со стеклом.

Получение силикатных изделий складывается из подготовки сырья и последующей высокотемпературной обработки смеси. Сырьем для силикатной промышленности являются доломит MgCO3.CaCO3, каолинит Al2O3.2SiO2.2H2O, полевые шпаты (K, Na)2O. Al2O3.6SiO2, кварц SiO2, магнезит MgCO3, природный гипс CaSO4.H2O, ангидрид CaSO4 и другие соединения, образующиеся при высоких температурах оксиды.

Подготовка сырья заключается в его дроблении, тщательном размоле и перемешивании. При высокой температуре происходит ряд последовательных процессов, таких как удаление влаги, распад кристаллической решетки, образование твердых растворов. Большинство реакций в силикатной технологии протекает в твердой фазе при участии некоторого количества жидкой и газообразной фаз вследствие наличия легкоплавких компонентов и их эвтектических смесей.

Для варки стекла используют оксиды или образующие их при высокой температуре соединения, носящие название стеклообразователей. К ним относят кварцевый песок SiO2, сода Na2CO3, известняк CaCO3, борная кислота H3BO3, бура Na2B4O7, свинцовый сурик Pb3O4, оксиды свинца PbO2 и PbO.  Кроме того в состав шихты могут входит обесцвечиватели, удаляющие слабую окраску стекол, осветлители, способствующие удалению газов при варке стекла (оксид мышьяка (III), нитрат натрия), глушители, делающие стекло матовым или молочным (оксиды и серосодержащие соединения мышьяка, олова или сурьмы), и красители, придающие стеклу любую окраску. Варку стекла ведут при температурах от 1273 до 1773 К, но меняя состав шихты, можно получить легкоплавкие стекла при температуре 760-1000К. Обычно к таким легкоплавким стеклам относятся свинцовые и боратные стекла, содержащие оксиды калия или натрия.

В настоящее время господствуют две теории строения стекла. По одной из них вещество в стекловидном состоянии не имеет геометрически правильной пространственной решетки. Согласно этой теории структура стекол представляет собой непрерывную сетку, в узлах которой расположены ионы, атомы или атомные группы. В основу структурной сетки стекла положен структурный элемент, и вся сетка в целом образована элементарными структурными группами путем повторения такого элемента. Однако в этом повторении нет определенной закономерности.

Рис. 5.1. Схема структурных сеток кристаллического кварца (а), кварцевого стекла (б), натриево-силикатного стекла (в)

       Элементарные структурные группы кристаллического кварца, кварцевого и натриево-силикатного стекла построены в виде тетраэдров SiO4, в центре которых расположены четырехвалентные атомы кремния, а в вершинах атомы кислорода. В сетке кристаллического кварца тетраэдры закономерно и правильно ориентированы один относительно другого. В сетке кварцевого стекла уже имеется некоторая неправильность, а в сетке натриево-силикатного стекла, структурные группы связаны в неправильную асимметрическую (деформированную) решетку, где элементы структурного порядка ограничиваются только ближайшими соседними частицами. По мере увеличения расстояния структурный порядок все более нарушается.

3. Экспериментальная часть

Химические реактивы, посуда, приборы

Кварцевый песок Оксид бора B2O3 или борная кислота, Н3ВО3 Сода Оксид свинца PbO Оксид железа Fe2O3 Оксид кобальта CoO Оксид никеля NiO Оксид меди CuO Раствор соляной кислоты 0,01 моль/л Раствор метилового красного Муфельная печь Фарфоровая чашка Фарфоровый тигель Сито № 9  и 6 Конические колбы на 100 и 250 мл Деревянная дощечка

Порядок проведения работы

Для приготовления борсвинцовосиликатных стекол рекомендуют следующие смеси:

Состав в (%)	Температура плавления ( 0С)
PbO	B2O3	SiO2
84,5	11,0	4,5	484
86,0	10,6	3,4	486
87,5	11,4	1,1	488
75,0	15,0	10,0	540

Наиболее легкоплавкие борсвинцовые и свинцовосиликатные стекла имеют следующий состав:

Состав в (%)	Температура плавления ( 0С)
PbO	B2O3	SiO2
92,7	7,3	-	565
86,6	13,4	-	497
93,7	6,3	-	560
61,4	38,6	-	768
70,4	-	29,6	732
88,1	-	11,9	723
91,8	-	8,2	714

По заданию преподавателя выбирают смеси, расчет ведут на 30-35 г шихты. При этом допускают, что стекло образуется только из оксидов и летучесть оксидов незначительна. В соответствии с расчетами взвешивают компоненты шихты с точностью 0,1 г и тщательно перемешивают. Шихту слегка увлажняют (3-5% воды) и перемешивают сначала на листе бумаги, а затем в фарфоровой ступке. Затем ее переносят в предварительно прокаленный и взвешенный тигель. Если в состав шихты входит борная кислота, то лучше брать высокие фарфоровые тигли, так как при разложении кислоты происходит сильное вспенивание и возможен выброс стекломассы. Тигель, заполненный шихтой, с помощью щипцов ставят в муфельную печь и включают ее, постепенно поднимая температуру до необходимых пределов. При достижении нужной температуры замечают время и ведут варку стекла в течение 20-30 мин, после чего быстро, но аккуратно вынимают щипцами тигель из печи и выливают расплавленное стекло в специальную форму или на чистый железный лист. Все операции варки стекла проводить в рукавицах и защитных очках. После полного охлаждения тигля и стекла их взвешивают и определяют выход стекла в процентах от теоретически возможного.

Определение химической стойкости стекла

Химическая стойкость стекла – это его способность противостоять действию воды и химических реагентов. Для опыта берут 4-5 г полученного стекла и осторожно измельчают в фарфоровой ступке, стараясь совершать пестиком круговые движения для получения частиц шарообразной формы. Измельченное стекло просеивают на ситах № 9 и 6, размер зерен 0,75-0,49 мм. Кусочки, не прошедшие первое сито, дополнительно измельчают и снова просеивают. Стеклопорошок, прошедший первое сито и задержавшийся на втором, отбирают, высыпают на деревянную или пластмассовую дошечку и, держа ее в наклонном положении, постукивают рукой по верхнему краю. При этом зерна, имеющие шарообразную форму, скатываются, а плоские задерживаются. Берут 2 г подготовленного таким способом порошка, помещают в коническую колбу на 100 мл и проводят трехкратное декантирование холодной водой, отмывая испытуемый образец от пыли. Промывные воды отфильтровывают и зерна, попавшие на фильтр, возвращают в колбу. Наливают в колбу 50 мл кипящей воды, присоединяют к колбе обратный холодильник с хлоркальциевой трубкой и нагревают колбу на 250 мл в течение 1 ч на кипящей водяной бане. Горячий раствор сливают в коническую колбу на 250 мл и титруют раствором HCl концентрации 0,01 моль/л, добавляя в качестве индикатора 2-3 капли метилового красного. По израсходованному раствору соляной кислоты концентрации 0,01 моль/л определяют гидролитический класс испытуемого стекла, пользуясь таблицей:

Гидролитический класс стекла	Стекла	Объем раствора соляной кислоты (мл)
1	Неизменяемые водой	0 – 0,32
2	Устойчивые	0,32 – 0,65
3	Твердые аппаратные	0,65-2,8
4	Мягкие аппаратные	2,8-6,5
5	Неудовлетворительные	6,5 и выше

4. Задания и оформление работы

Результаты работы записывают в таблицу

Состав шихты (г или %)	Масса полученного стекла (г)	Выход (%)	Химическая устойчивость	Гидролитический класс стекла
Теоретический выход	Практический выход	Объем раствора HCl (мл)

Блиц-тест

1. Укажите формулу оконного стекла:

A. Na2O · CaO · 6SiO2                B. K2O · Al2O3 · 6SiO2

C. Li2O · Al2O3 · 6SiO2                D. K2O · Fe2O3 · 6SiO2

E. Na2O · Fe2O3 · 6SiO2