Лабораторная работа №2
Синтез и исследование свойств цветного стекла
Цель работы
Получение цветных стекол, исследование их свойств и возможностей применения.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Стекло - прозрачный для видимого человеком спектра электромагнитных волн материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, - универсальный в практике человека.
С физико-химической точки зрения стекло - это неорганическое вещество (на основе силикатов) , твёрдое тело, имеющее аморфную структуру.
По агрегатному состоянию стекло - чрезвычайно вязкая переохлаждённая жидкость, достигающая стеклообразного состояния в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты).
Температура варки стёкол варьируется от 300 до 2500 С и определяется компонентами этих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и др.).
Стеклу можно придать окраску, если в состав шихты внести оксиды металлов, которые в процессе варки изменят его структуру, что после остывания, в свою очередь, заставляет стёкла выделять определённые цвета из спектра проходящего сквозь них света.
Соединения железа окрашивают стекло в цвета - от голубовато-зелёных и жёлтых до красно-бурых,
оксид марганца - от жёлтых (коричневых) до фиолетовых,
оксид хрома - в травянисто-зелёный или черный (в зависимости от концентрации хрома),
оксид урана - в желтовато-зелёный (так называемое, урановое стекло),
оксид кобальта - в синий (кобальтовое стекло),
оксид никеля - от фиолетового до серо-коричневого,
оксид сурьмы или сульфид натрия - в жёлтый,
коллоидное серебро - в ярко жёлтый,
оксид меди - в красный (так называемый медный рубин),
коллоидное золото - в золотой (золотой рубин),
сера - от желтоватого до темнокоричневого (аптечное стекло).
Кроме добавок химических веществ человечество пользовалось и подручными веществами. Так, костяное стекло получали замутнением стекломассы пережжённой костью, а молочное - прибавкой смеси полевого и плавикового шпата. Теми же прибавками, замутив стекломассу в очень слабой степени, получали опаловое стекло.
Рис. 1 Цветное стекло.
Оптические свойства соединений наночастицы/стекло сильно зависят от морфологии, среднего размера, гранулометрического состава и концентрации внедренных наночастиц, а также от характера их взаимодействия с матрицей первичного кристалла. Одной из наиболее простых и эффективных методик формирования металлических наночастиц в стекле является ионный обмен и последующая термообработка при температуре плавления стекла, однако проблема относительно широкого гранулометрического состава ограничивает применение этих сложных материалов.
Область применения.
Природное стекло - один из первых естественных материалов - получило очень широкое применение в быту, и как орудие труда, и как часть разных видов оружия (ножи, наконечники стрел и т. д.), и как материал для украшений и других предметов обихода. Окрашенные стёкла, помимо других областей применения (художественные изделия, бутылки, витражи и пр.), используют в качестве цветных светофильтров и монохроматоров оптических приборов, например, фотоэлектроколориметров.
Силикатные стекла, содержащие металлические наночастицы (рис. 2) представляют интерес, главным образом, из-за специфического оптического поглощения, благодаря которому такие стекла находят применение в интегральной оптике и фотонике.
Рис. 2 Нанокластер серебра в силикатной матрице
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
1. Получение стекол
Способ получения цветных стекол заключается во введении в расплав обычного стекла соединений различных металлов.
Ход работы
1. Возьмите пинцетом стеклянный капилляр и внесите его в пламя (можно использовать спиртовку или таблетку сухого горючего), продолжайте нагревание до начала расплавления стекла.
2. Вынесите расплавленное стекло из пламени и капните на него заранее приготовленный раствор соли с наночастицами металла. Соль металла выбирают так, чтобы получить заданный цвет в соответствии с полученным индивидуальным заданием (см. теоретическую часть).
3. Стекло вновь вносят в пламя пинцетом. Вторым пинцетом перемешивают расплавленную стеклянную массу с наночастицами металла и придают ему желаемую форму.
4. Аккуратно выньте стекло из пламени и охладите на воздухе.
5. Исследуйте свойства полученного стекла, сравните их с другими окрашенными стеклами. Какие ионы металлов окрашивают стекло в розовый, синий, фиолетовый, коричневый цвета?
2. Требования безопасности.
Перед началом работы необходимо пройти инструктаж по технике безопасности.
С химическими реактивами необходимо работать с применением средств индивидуальной защиты (СИЗ) – х/б халат и защитные очки в вытяжном шкафу при включенной вентиляции.
Рабочее место должно удовлетворять требованиям ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».
3 Порядок выполнения работы
3.1 Содержание отчета
- Цель работы.
- Ответы на контрольные вопросы.
- Ход работы.
- Рисунок в цвете полученного стекла.
- Выводы.
3.2 Контрольные вопросы
1 Что такое стекло?
2 Каков химический состав стекла?
3 Что придает окраску стеклу?
4 Какого цвета стёкла можно получить?
5 От чего зависят оптические свойства стекол?
6 Где используется цветное стекло?
Литература
1. http :// ru . wikipedia . org / wiki
2. http :// www.stekla.ucoz/index
3. http://nano.sfedu.ru/research_7_r.html
