ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕКЛА: ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ К КИСЛОТАМ, ЩЕЛОЧАМ, В ВОДЕ


Стекло представляет собой твердый раствор, полученный в результате охлаждения расплавленной смеси силикатов и окислов металлов и обладающий механическими свойствами твердых тел. В состав стекла входят различные окислы: Si02, Na20, CaO, MgO, B2O3, Al2O3 и др. Среди видов неорганических стекол (боросиликатные, боратные и др.) особенно большая роль в практике принадлежит стеклам, сплавленным на основе кремнезема, - силикатным стеклам. Вводя в состав стекла определенные окислы, получают стекла с заранее заданными физико-химическими свойствами. Наиболее простой состав имеет стекло, полученное расплавлением чистого кремнезема до образования стекловидной массы. Из такого стекла обычно изготовляют так называемую кварцевую посуду, которая обладает большой термической и химической стойкостью.

Для изготовления ампул стекольной промышленностью в настоящее время выпускаются специальные сорта (марки) ампульного стекла (таблица 4), которые регламентируются отраслевым стандартов ОСТ 64-2-78-72.

До 1973 г. промышленностью выпускалось нещелочное стекло только марок НС-1 и НС-2, причем первое вследствие большего содержания В2О3 и меньшего - Na2О было более стойким. Недавно введенная марка стекла НС-2А по физико-химическим свойствам аналогична стеклу НС-2. Изменение соотношения двухвалентных окислов СаО и MgO (при сохранении общей их суммы) несколько облегчило производственный процесс. Что касается вновь введенной марки ампульного стекла НС-3, то последнее как содержащее значительно большее количество В2О3 (6%) при меньшем содержании щелочных и щелочноземельных окислов является наиболее химически стойким отечественным ампульным стеклом.

Кроме отечественных сортов ампульного стекла (НС-нещелочное и АБ-1 -безборное стекло), в таблицу включены для сравнения сорта некоторых зарубежных стекол и сорт «Пирекс»-тугоплавкое (содержит много кремнезема) и химически наиболее стойкое стекло из-за высокого содержания окиси бора (11,7%). По последней причине оно, кроме того, и кислое. В таблице указано также стекло отечественной марки XT (химически и термически стойкое). Из дротов стекла этой марки изготавливаются шприцы «Рекорд».

Свойства стекла зависят от входящих компонентов и их соотношений в сплаве. К наиболее важным качествам стекла относится его химическая стойкость.

Химическая устойчивость характеризует сопротивляемость стекол разрушающему действию агрессивных сред.

На стекло воздействуют различные химические агенты, растворяя его составные части и вызывая коррозию. Одним из самых вредных для стекла веществ является вода, переводящая силикаты в щелочи и создающая благодаря этому затруднения при изготовлении многих инъекционных растворов. Способность воды растворять отдельные составные части стекла начинает проявляться уже в первые минуты контакта водного раствора со стеклом даже при комнатной температуре и усиливается при хранении. Стерилизация оказывает очень сильное влияние и сдвиг рН.

Явления, происходящие в результате воздействия различных водных растворов на стекло ампул, станут понятными, если учесть, что поверхностный слой стекла всегда насыщен ионами щелочных и щелочноземельных металлов благодаря их высокой подвижности (и небольшому заряду по сравнению с высоким зарядом четырехвалентного иона кремния). По этой причине ион натрия даже при комнатной температуре может замешаться другими ионами. Ионы щелочных металлов легко перемещаются из внутренних слоев стекла на место ионов, вступивших в реакцию.


Таблица 4. Состав ампульных сортов стекла (в процентах по массе)

 

Image

 

По другому протекает воздействие щелочных растворов на поверхность стекла. Вначале они не образуют пленок, а растворяют и смывают поверхностный слой, разрывая при этом связи Si-О-Si и приводя к образованию групп Si-О-Na (рисунок 7).

 

Image

Рисунок 7. Образование химической связи при воздействии щелочных растворов на поверхность стекла.

Химическая устойчивость стекла характеризуется его способностью противостоять воздействию воды, кис­лот, щелочей, растворов солей, газов, содержащихся в атмосфере. Зависит от состава стекла и вида действую­щего на него реагента. Некоторые стекла, устойчивые к действию воды или кислот, могут быть менее устой­чивы к растворам щелочей или солей.

Стекло обладает высокой химической устойчивостью почти ко всем веществам кроме фтористоводородной (плавиковой) кислоты, растворяющей кремнезем. Устой­чивость стекла объясняется образованием на его поверх­ности тонкой пленки коллоидной кремниевой кислоты. Однако с течением времени поверхность многих стекол подвергается коррозии, образуются пятна, налеты.

Помутнение стекол в окнах зданий объясняется химическим воздействием воды и углекислого газа, ко­торые вымывают щелочи, а освободившийся кремнезем образует налет «загар». Выветривание может происхо­дить также при неправильном транспортировании и хранении стекла. Щелочи, находящиеся в воде, при длительном действии на стекло разрушают защитную пленку, при этом кремниевая кислота растворяется, об­разуя силикат натрия.

Наибольшую химическую устойчивость имеют стек­ла с повышенным содержанием кремнезема, а также окислов магния, кальция, цинка, бора. Установлено, что двуокись циркония повышает химическую устойчи­вость натрий-силикатного стекла; добавление окиси алюминия — водоустойчивость, а окиси лантана — щелочеустойчивость стекла.

С увеличением содержания щелочных окислов сни­жается химическая устойчивость стекла ко всем реаген­там, поэтому в стекле частично уменьшают или исклю­чают содержание щелочных окислов (бесщелочные стек­ла). Стекла с механически обработанной поверхностью (шлифованные, полированные) менее устойчивы хими­чески, чем необработанные вследствие образования микротрещин, в которые проникают вода и щелочи.

Химическую устойчивость стекла можно повысить специальной термохимической обработкой.

 Основные понятия, которые необходимо знать после изучения материала данной лекции

Боросиликатные стекла, кварцевая посуда, НС-нещелочное и АБ-1 -безборное стекло.

Вопросы для самоконтроля

1. Что представляет собой стекло?

2.Состав ампульных сортов стекла?

3.Наиболее важные качества стекла?

4.Объясните явления происходящие при воздействии на стекло растворов кислот?

5.Объясните явления происходящие при воздействии на стекло растворов щелочей?