شیمی شیشه (1)

شيشه ، مايعي مي‌باشد که بسيار سرد شده است و در حرارتي پايين‌تر از نقطه انجماد آن ، در حالت مايع قرار دارد و بطور عمومي ، جسمي است شفاف که نور بخوبي از آن عبور مي‌کند و پشت آن بطور وضوح قابل روئيت مي‌باشد.

شيشه از نظر ساختمان مولکولي در حالت جامد آرايش مولکولي نامنظم دارد. در درجه حرارت‌هاي بالا  شيشه مثل هر مايع ديگري رفتار مي‌کند. اما با کاهش دما ، گرانرويآن بطور غير عادي افزايش مي‌يابد و باعث مي‌شود مولکول‌ها نتوانند در آرايشي که لازمه کريستال شدن است، قرار گيرند. به اين ترتيب شيشه از نظر ساختمان مولکولي مانند مايعات نامنظم است، ولي اين ساختمان غير منظم ، ديگر متحرک نيست.

شيشه جسمي سخت است که سختي آن در حدود 8 مي‌باشد و همه اجسام بجز الماسه‌ها را خط مي‌اندازد. وزن مخصوص شيشه 2.5 گرم بر سانتيمتر مکعب بوده و بسيار تُرد و شکننده است. شيشه در مقابل تمام مواد شيميايي حتي اسيدهاي قوي و بازها مقاومت کرده و تحت تاثير خورندگي واقع نمي‌شود، به همين علت ظرف آزمايشگاهي را از شيشه مي‌سازند. فقط اسيد فلوئوريدريک (HF) بر آن اثر داشته و شيشه را در خود حل مي‌نمايد. 

تاريخچه

شيشه گري ، يکي از قديميترين حرفه‌هايي است که بشر بدان اشتغال داشته است. مصري‌ها سازنده اولين اشياي شيشه‌اي بوده‌اند که ظروف بدست آمده از حفاريهاي مصر قدمت 5000 ساله دارد. روميان نيز در فن شيشه گري مهارت داشته‌اند و در اين صنعت از سايرين پيشرفته‌تر بودند. رونق شيشه سازي در نخستين ادوار تاريخ اسلامي صورت گرفته است، زيرا هنري بود که در مساجد و زيارتگاه‌ها و تزئينات مذهبي جلوه خاصي داشته و مورد استفاده قرار مي‌گرفت.

در ايران نيز ساختن شيشه قدمت چند هزار ساله دارد. و نخستين واحد ماشيني توليد شيشه ساختماني در ايران در سال 1340 شروع بکار کرد. 

ترکيبات سازنده شيشه

اجزاي اصلي تشکيل دهنده شيشه

با نگاه به جدول عناصر ، کمتر عنصري را مي‌توان يافت که از آن شيشه بدست نيايد، ولي سه ماده کربنات دو سود ، سنگ آهک و سيليس ، مواد اصلي تشکيل دهنده شيشه مي‌باشند. مواد شيشه ساز مورد تاييد موسسه استاندارد و تحقيقات صنعتي ايران عبارتند از سيليس (SiO₂) ، دي‌اکسيد بور (B₂O₃) ، پنتا اکسيد فسفر (P₂O₅) که از هر کدام بتنهايي مي‌توان شيشه تهيه نمود. 

گدازآورها

کربنات سديم (Na₂CO₃) ، کربنات پتاسيم (K₂CO₃) و خرده شيشه ، سيليکات سديم و پتاسيم (Na₂SiO₃ , K₂SiO₃) که حاصل ترکيب سيليس با گدازآورها مي‌باشند، در آب حل مي‌شوند و از شفافيت شيشه به تدريج کم مي‌کنند. به همين علت است که اغلب شيشه‌هاي مصرف شده در گلخانه پس از چند سال کدر مي‌شوند و نور از آنها بخوبي عبور نمي‌نمايد. 

تثبيت کننده‌ها

براي آنکه مقاومت شيشه را در مقابل آب و هوا ثابت کنيم، بايد اکسيدهاي دو ظرفيتي باريم ، سرب ، کلسيم ، منيزيم و روي به مخلوط اضافه کنيم که به اين عناصر ، ثابت کننده مي‌گويند. 

تصفيه کننده‌ها

موجب کاستن حباب هواي موجود در شيشه مي‌شوند و بر دو نوعند:

1.     فيزيکي: سولفات سديم (Na₂SO₄) ، کلرات سديم (NaClO₃). با ايجاد حباب‌هاي بزرگ حباب‌هاي کوچک را جذب و از شيشه مذاب خارج مي‌کنند.

2.     شيميايي: املاح آرسنيک و آنتيموان ترکيباتي ايجاد مي‌کنند که حباب‌هاي کوچک داخل شيشه را از بين مي‌برند.

تا اينجا به موادي اشاره کرديم که عدم وجودشان ، در مواد اوليه باعث از بين رفتن مرغوبيت کالا مي‌شد. حال به چند ماده ديگر که به نوعي در توليد شيشه سهيم هستند، اشاره مي‌کنيم. 

افزودنيها

1.     استفاده از بوراکس به جاي اکسيد و کربنات سديم (گدازآور) که در اثر حرارت به Na₂O و B₂O₃ تجزيه مي‌شود و در واقع بجاي هر دو ماده عمل مي‌کند.

2.     استفاده از نيترات سديم NaNo₃براي از بين بردن رنگ سبز شيشه (ناشي از اکسيد آهن که همراه مواد ديگر وارد کوره مي‌شود).

3.     استفاده از اکسيد منگنز که باعث مقاومت بيشتر در مقابل عوامل جوي و شفاف‌تر شدن شيشه مي‌شود.

4.     استفاده از اکسيد سرب PH₃O₄ , PbO به جاي CaO براي ساختن شيشه‌هاي مرغوب بلور و کريستال که باعث درخشندگي شيشه مي‌شوند.

5.     براي ساختن کريستال مرغوب از اکسيد نقره استفاده مي‌کنند.

6.     استفاده از فلدسپار که باعث مقاومت بهتر در مقابل مواد شيميايي مي‌شود.

7.     براي اينکه شيشه در برابر اسيد فلوئوريدريک هم مقاوم باشد، ترکيباتي از فسفات به آن مي‌افزايند.

8.     استفاده از خرده شيشه که به ذوب مواد سرعت بيشتري مي‌دهد.

9.     استفاده از اکسيد فلزات براي تهيه شيشه‌هاي رنگي.

10. اکسيد سزيم براي جذب اشعه زير قرمز و اکسيد بر براي ازدياد مقاومت حرارتي مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

دو نمونه از عناصر تشکيل دهنده که عموميت بيشتري دارند، در زير ذکر مي‌گردد.

·         ترکيبات(1): اکسيد سيليسيم (SiO₂) در حدود 74 تا 80 درصد و بقيه شامل پراکسيد سديم (NaO₂) تا 15 درصد و اکسيد کلسيم 7 تا 12 درصد اکسيد منيزيم 2 تا 4 درصد و 2 درصد هم عناصر ديگر مانند Fe₂O₃ - MnO - Al₂O₃ - TiP₂ - SiO₃.

·         ترکيبات (2): اکسيد سيليسيم (SiO₂) در حدود 73 درصد ، اکسيد سديم 15 درصد ، اکسيد کلسيم 5.55 درصد ، اکسيد منيزيم 3.6 درصد ، اکسيد آلومينيوم 1.5 درصد ، اکسيد بور (B₂O₃) و اکسيد پتاسيم( K₂O) هر کدام 0.4 درصد ، اکسيد آهن (Fe₂O₃) و اکسيد سيليسيم 6 ظرفيتي SiO₃ هر کدام 0.3 درصد.

علاوه بر مواد فوق هميشه مقداري خرده شيشه نيز با اين مواد وارد کوره مي‌گردد.