شیشه چه نوع جامد است؟ جامدات آمورف در مقابل جامدات کریستالی توضیح داده شده است

شیشه یک جامد بی شکل است. بر خلاف یک جامد کریستالی مانند کوارتز یا نمک خوراکی که دارای شبکه اتمی دوره ای است، شیشه ساختاری نامنظم و غیر تکراری دارد. تحت کنترل معمولی سفت است، اما در مقیاس مولکولی شبیه یک مایع یخ زده است. این ترکیب به همین دلیل است که شیشه اغلب به عنوان یک جامد و نه مایع واقعی توصیف می‌شود، اما اصطلاح صحیح علم مواد جامد آمورف است.

چه چیزی یک جامد را آمورف می کند؟

جامدات معمولاً به دو خانواده بزرگ بلوری و آمورف تقسیم می شوند. جامدات کریستالی شکل و خواص مکانیکی خود را مدیون آرایش سه بعدی مکرر اتم ها یا مولکول ها هستند. این شبکه به آنها نقاط ذوب تیز می دهد و توضیح می دهد که چرا آنها در امتداد صفحات شکاف قابل پیش بینی شکسته می شوند. در مقابل، جامدات آمورف فاقد نظم دوره ای دوربرد هستند. اتم‌ها به‌طور تصادفی، بسیار شبیه به یک مایع، بسته‌بندی می‌شوند، با این حال، مواد به طور موثر بی‌حرکت می‌شوند، زیرا ویسکوزیته داخلی بسیار زیاد است.

تفاوت صرفاً آکادمیک نیست. نحوه واکنش یک ماده به گرما، فشار و حمله شیمیایی را کنترل می کند. برای شیشه، ساختار آمورف رفتار همسانگرد ایجاد می کند: خواص آن، مانند انبساط حرارتی و شکست نوری، در هر جهت یکسان است. به همین دلیل است که یک منشور شیشه ای نور را به طور یکنواخت شکست می دهد و به همین دلیل است که یک لیوان شیشه ای جهت شکست ترجیحی ندارد. هنگامی که یک شیمیدان دمای یک جامد کریستالی را افزایش می دهد، جامد تا نقطه ذوب خود جامد می ماند، سپس به طور ناگهانی تغییر حالت می دهد. در عوض شیشه به طور مداوم نرم می شود، بنابراین دمای کاری قابل استفاده باید بسیار کمتر از نقطه نرم شدن خود باقی بماند.

چرا شیشه مایع نیست

یک افسانه دائمی می گوید که شیشه مایعی فوق خنک است که به جریان خود ادامه می دهد و به پنجره های قدیمی کلیسا اشاره می کند که در پایین ضخیم تر هستند. آن داستان، تاریخ ساخت را با رفتار فیزیکی اشتباه می گیرد. شیشه پنجره قرون وسطایی اغلب با چرخاندن یک دیسک و ضخیم شدن لبه ها ساخته می شد و شیشه سازها عمدا لبه سنگین تری را به سمت پایین نصب می کردند. اندازه گیری های مدرن نشان می دهد که شیشه در دمای اتاق در هیچ مقیاس زمانی قابل مشاهده ای جریان ندارد. ویسکوزیته آن در حد 10 است ²⁴ پاسکال ثانیه، بنابراین زمان جریان مشخصه بسیار بیشتر از سن جهان است.

اصطلاح مایع فوق سرد گاهی اوقات برای توصیف وضعیت بالای انتقال شیشه ای، اما زیر نقطه انجماد معمولی استفاده می شود. در آن رژیم، ماده هنوز سیال است، اما هنگامی که از دمای انتقال شیشه ای عبور می کند، باید شیشه نامیده شود. از نظر ترمودینامیکی، شیشه حالتی خارج از تعادل است. هنگامی که یک مایع مذاب سرد می شود، ممکن است از کریستالیزاسیون عبور کرده و وارد یک منطقه مایع فوق خنک شود. خنک شدن بیشتر آن را به مرحله انتقال شیشه ای می رساند، جایی که بازآرایی های مولکولی آنقدر کند می شوند که ماده مانند یک جامد رفتار می کند. به همین دلیل است که شیشه بهتر است به عنوان یک جامد بی شکل طبقه بندی شود: از نظر مکانیکی جامد است، اما فاقد شبکه تناوبی است که یک جامد کریستالی را تعریف می کند.

چگونه شیشه تشکیل می شود: از ذوب تا جامد آمورف

بیشتر شیشه های تجاری با ماسه سیلیسی به اضافه شارها و تثبیت کننده ها شروع می شوند. این دسته تا حدود 1500 درجه سانتیگراد گرم می شود، جایی که اجزا به یک مایع چسبناک ذوب می شوند. در هنگام خنک شدن، یکی از دو مورد ممکن است اتفاق بیفتد: اگر مذاب متبلور شود، یک جامد متراکم، مات یا نیمه شفاف با نقطه ذوب مشخص به دست می‌آید. اگر مذاب به اندازه کافی سریع سرد شود یا حاوی مواد افزودنی باشد که در هسته سازی تداخل ایجاد می کند، به شکل یک شیشه در می آید.

فرآیند شکل دهی شیشه را می توان در چهار مرحله خلاصه کرد:

1. ذوب: مواد خام به یک مایع همگن تبدیل می شوند.
2. پالایش: حباب ها برداشته شده و دما همگن می شود.
3. Supercooling: مذاب در زیر نقطه انجماد خود بدون ایجاد کریستال سرد می شود.
4. انتقال شیشه ای: ویسکوزیته تا جایی افزایش می یابد که ساختار به صورت جنبشی منجمد می شود.

انتقال شیشه ای، نه نقطه ذوب، رویداد کلیدی است. بالاتر از دمای انتقال، ماده یک مایع لاستیکی یا چسبناک است. در زیر آن، مواد یک شیشه سفت و سخت است. سرعت خنک‌سازی نیز مهم است: سرعت سرد شدن آهسته به مولکول‌ها زمان می‌دهد تا به شکل کریستال‌ها مرتب شوند، در حالی که سرعت خنک‌سازی سریع از تبلور جلوگیری می‌کند. به همین دلیل است که الیاف شیشه ای نازک به راحتی تشکیل می شوند، در حالی که شیشه های ریخته گری ضخیم برای جلوگیری از استرس داخلی به خنک سازی کندتر و با دقت کنترل شده نیاز دارند.

انواع رایج شیشه

همه شیشه ها یکسان نیستند. شبکه اتمی را می توان با اکسیدها اصلاح کرد تا خواص نوری، حرارتی و شیمیایی آن تغییر کند. برای اهداف عملی، سه خانواده تسلط دارند:

• لیوان سودا آهک رایج ترین و ارزان ترین نوع است. برای شیشه های پنجره، بطری ها و ظروف غذاخوری روزمره استفاده می شود. در دماهای نسبتاً پایین نرم می شود و در برابر شوک حرارتی مقاومت متوسطی دارد.
• شیشه بوروسیلیکات حاوی تری اکسید بور است که ضریب انبساط حرارتی را کاهش می دهد و مقاومت در برابر اسیدها، بازها و چرخه دما را بهبود می بخشد. این ماده استاندارد برای ظروف شیشه ای آزمایشگاهی است و همچنین در ظروف پخت و پز و بسته بندی دارویی استفاده می شود.
• شیشه سربی حاوی اکسید سرب است که ضریب شکست را افزایش می دهد و ظاهری درخشان و درخشان می دهد. برای لنزهای نوری و اشیاء کریستالی تزئینی استفاده می شود، اما از نظر شیمیایی دوام کمتری نسبت به شیشه بوروسیلیکات دارد.

اعداد تفاوت را روشن می کند. شیشه سودا آهک دارای ضریب انبساط حرارتی در حدود 9×10 است ^-6 K ^-1 و با تغییرات ناگهانی دما به راحتی شکسته می شود. شیشه بوروسیلیکات 3.3، با ضریب انبساط نزدیک به 3.3 × 10 ^-6 K ^-1 ، می تواند از اختلاف دمای 100 کلوین یا بیشتر زنده بماند. به همین دلیل است که شیشه بوروسیلیکات ماده ترجیحی برای ظروف شیشه ای آزمایشگاهی است. یک مثال قابل اعتماد این است لیوان شیشه ای بوروسیلیکات کم شکل ، که در عین تحمل اتوکلاو مکرر، دید واضحی از واکنش ها ارائه می دهد.

فروش عمده لیوان کم شکل آزمایشگاه شیمی بوروسیلیکات شیشه شفاف باشد شرکت Shanghai Heqi Glassware Co., Ltd. در چین به صورت عمده فروشی تولید کنندگان لیوان شیشه ای شفاف شیشه ای بوروسیلیکات آزمایشگاهی شیمی کم... مشاهده محصول →

چرا نوع شیشه در آزمایشگاه اهمیت دارد؟

کار آزمایشگاهی شیشه را در معرض حلال ها، اسیدهای قوی، صفحات داغ و خلاء قرار می دهد. یک لیوان نوشابه-آهک ممکن است یک ساعت از حرارت ملایم دوام بیاورد، اما وقتی روی نیمکت سرد قرار می گیرد می تواند خرد شود. شیشه بوروسیلیکات 3.3 بسیار کمتر منبسط می شود، بنابراین گرادیان حرارتی را بدون ترک تحمل می کند. انتخاب نوع شیشه مناسب یک تصمیم ایمنی است، نه فقط یک تصمیم بودجه.

درک کردن چه چیزی از یک لیوان شیشه ای در آزمایشگاه های علمی استفاده می شود کمک می کند تا از اشتباهات رایج رسیدگی جلوگیری شود. حتی با شیشه بوروسیلیکات، هرگز نباید ظرف خراشیده یا خرد شده را گرم کنید یا مستقیماً روی سطح مرطوب فرو ببرید. عادات خوب آزمایشگاهی عمر هر قطعه شیشه ای را افزایش می دهد.

برای واکنش‌هایی در حجم‌های بالاتر، هندسه ظرف به اندازه ماده مهم است. الف فلاسک ته گرد تک گردنی کلاس A تنش را به طور یکنواخت توزیع می کند و به خوبی با مفاصل مخروطی استاندارد جفت می شود، و آن را به گزینه ای مطمئن برای رفلکس، تقطیر و تبخیر چرخشی تبدیل می کند. نشانه‌های کلاس A به این معنی است که تحمل حجم تأیید شده است، که برای کار کمی ضروری است. هنگامی که نیاز دارید بخار را به طور موثر متراکم کنید، الف کندانسور Liebig با اتصالات مخروطی استاندارد مستقیماً به فلاسک متصل می شود و ظرفیت خنک کنندگی قوی را بدون جریان آب بیش از حد فراهم می کند.

تامین کنندگان عمده فروشی خازن لیبیگ، کارخانه - Shanghai Heqi Glassware Co., Ltd Shanghai Heqi Glassware Co., Ltd. عمده فروشی چین و کارخانه تولید کننده و کارخانه خازن لیبیگ، کندانسور لیبیگ شیشه بوروسیلیکات برای روزانه... مشاهده محصول →

تامین کنندگان عمده فروشی فلاسک پایین گرد تک گردنی (کلاس A)، کارخانه - شانگهای Shanghai Heqi Glassware Co., Ltd. عمده فروشی چین با فلاسک تک گردنی گرد پایین (کلاس A) و کارخانه، کلاس A تک گردنی ... مشاهده محصول →

هر جزء در مجموعه شیشه ای بر عملکرد تأثیر می گذارد. فلاسک ته گرد با دیواره ضخیم را می توان تحت فشار کاهش یافته استفاده کرد، اما فلاسک ارلن نازک را نمی توان استفاده کرد. کندانسور Liebig با نازل قابل جابجایی بعد از تقطیر راحت تر تمیز می شود. اتصالات مخروطی استاندارد امکان مونتاژ مدولار را با آداپتورها، کندانسورها و فلاسک‌های تولیدکننده یکسان فراهم می‌کند که جایگزینی را ساده می‌کند و زمان خرابی را کاهش می‌دهد. بسیاری از آزمایشگاه‌ها همچنین به اجزای شیشه‌ای سفارشی برای راه‌اندازی‌های تخصصی پایلوت نیاز دارند، و اینجاست که تولیدکننده‌ای با قابلیت طراحی داخلی ارزشمند می‌شود.

به طور خلاصه، شیشه یک جامد بی شکل است زیرا فاقد شبکه کریستالی دوره ای است و به جای نقطه ذوب واقعی، انتقال شیشه ای را نشان می دهد. این تمایز برای تمرین روزمره اهمیت دارد: به شما می گوید که چرا شیشه در دمای اتاق به عنوان یک ماده سفت عمل می کند و چرا شیشه بوروسیلیکات برای کارهای آزمایشگاهی سخت مشخص شده است. انتخاب نوع شیشه مناسب یک جزئیات پیش پا افتاده نیست. این یک تصمیم ایمنی و تکرارپذیری است. وقتی شیشه آزمایشگاهی می‌خرید، درجه مواد، میزان تحمل اتصالات و نشانه‌های ظرفیت را بررسی کنید، زیرا این برچسب‌ها تعیین می‌کنند که شیشه در فرآیند شما چقدر ایمن عمل می‌کند.