Стекло - современный конструкционный материал

Николаева Марина Валериановна, учитель химии

Разделы: Химия

Цели урока:

1. Совершенствование представлений о физико-химических свойствах стекла
2. Воспитание экологической культуры учащихся
3. Ориентирование учащихся в выборе профессии

Оформление кабинета:

1. Схемы оптических приборов
2. Коллекция стекла
3. Набор цветных стеклянных ваз

Раздаточный материал:

1. Детская игрушка - калейдоскоп
2. Жидкое стекло (конторский клей)
3. Известняк
4. Кисточка
5. Предметное стекло
6. Универсальная лакмусовая бумага
7. Фенолфталеиновая бумага

Вступление

Учитель физики: Промышленная компания "Южная" СШ №28 г.Чебоксары в лице учителей химии и физики рада приветствовать вас на заседании городского Совета г.Чебоксары.
Здесь решается вопрос о строительстве завода по производству стекла в вашем городе. Перспективы создания новых рабочих мест вызывает одобрение некоторых местных жителей, а возможность ухудшения условий жизни в городе - опасение у других. Сегодня всем нам предстоит решить вопрос, нужен ли городу стекольный завод. Что же скажет химик?

Учитель химии: Замечу, что задача химической промышленности состоит в том, чтобы изменять природные материалы так, чтобы сделать их полезными. Большинство людей не видят этих превращений и даже не представляют себе, как они происходят. Это создает таинственность, непонимание того, как работают химические предприятия в целом. Но ведь промышленность - это наш социальный партнер, и ответственность за производство химических продуктов с минимальным риском и к общей выгоде лежит на всех. Познакомимся с работой стекольного завода.

Первый стекольный завод в России был построен в 1736г. близ города Воскресенска под Москвой. Курировал его работу М.В.Ломоносов, который прекрасно сказал о стекле в своих стихах:

"Пою перед тобой в восторге похвалу
Не камням дорогим, не злату, но стеклу!"

Обратимся к словарю Ожегова с вопросом:
"Что же такое стекло?" Стекло - прозрачный твердый материал, полученный из кварцевого песка и оксидов ряда металлов.

Химик добавит, что существует четыре типа стекла:

1. Жидкое или растворимое
2. Типичное стекло
3. Кварцевое
4. Органическое

Наш завод планирует выпуск силикатного стекла, поэтому познакомимся с его свойствами.
Жидкое стекло (концентрированные растворы силикатов натрия и калия) получают сплавлением оксида кремния (IV) со щелочами или карбонатами.

Ученик пишет на доске уравнение:

SiO₂ +
Песок

Na₂CO₃
Сода

= Na₂SiO₃
Жидкое стекло

+ CO₂
Углекислый газ

Фронтальный ученический эксперимент №1

Перед вами в кюветах находится жидкое стекло. Исследуйте реакцию среды жидкого стекла при помощи универсальной лакмусовой бумаги, фенолфталеиновой бумаги.
Ответ: Наблюдения показали резко щелочную среду жидкого стекла.

На доске учитель химии пишет уравнение гидролиза:

2Na₂SiO₃ + H₂O
метасиликат

= Na₂Si₂O₅ + 2NaOH
двуметасиликат

Пропитанные жидким стеклом изделия из дерева и тканей очень трудно загораются, поэтому им пропитывают материалы, идущие на изготовление театральных декораций.
Опыт. Выполняет учитель химии.
Учитель одновременно вносит в пламя спиртовки два образца ткани. Ткань, пропитанная жидким стеклом, не загорается, а без пропитки мгновенно горит.
Для придания стеклу нерастворимости в воде, в него вводят третий компонент - известь CaCO₃. Процесс получения обычного стекла выражается уравнением:

Na₂CO₃ +
Cода

CaCO₃ +
Известь

6SiO₂
Песок

= 2CO₂ + Na₂O CaO 6SiO₂
Угл.газ Типичное стекло

В соответствие со сборником "Общероссийские санитарно-гигиенические и санитарно-противоэпидемические правила и нормы", утвержденные главным санитарным врачом России сода и песок - умеренно опасные вещества, а мел - малоопасное вещество. Эти вещества действуют на организм человека фиброгенно (на легкие). Наибольшей фиброгенной активностью по сравнению с другими промышленными пылями обладает SiO₂ . Все работники снабжаются респираторами или ватно-марлевыми повязками.

Типичные стекла подразделяются на виды:

1. Оконное и бутылочное

2. Оптическое, с высоким показателем преломления, для изготовления оптических линз и декоративного стекла

3. Лабораторное, с низким коэффициентом теплового расширения, для изготовления лабораторной и кухонной посуды
4. Биостекло, совместимое с костной тканью, как покрытие для хирургических имплантантов

А где же используется оптическое стекло?

Линзы и лупы.

Ученик 1: В оптических приборах: фотоаппаратах, фильмоскопах, микроскопах, очках - применяются стекла, ограниченные двумя сферическими поверхностями или одна из поверхностей может быть плоской. Одни линзы собирают проходящий свет - их называют собирающими, другие рассеивают - рассеивающие. С помощью линз, располагая предмет на различных расстояниях, можно получить отчетливое уменьшение или увеличение объекта.
При помощи других приборов нам удается наблюдение за удаленными от нас предметами с отчетливым рассмотрением деталей: подробные рельефы поверхности Луны, огромное число звезд и туманностей во Вселенной. Такие приборы(телескопы, бинокли) как бы приближают к нам рассматриваемые предметы.

Микроскоп.

Ученик 2: Увеличение лупы в 30-40 раз является практически наилучшим. Чтобы получить увеличение порядка 500-600 раз пользуются более сложным оптическим прибором - микроскопом. Его оптическая система состоит из двух линз. Одна из них, с малым фокусным расстоянием, обращена к предмету наблюдения. Она играет роль лупы и называется окуляром. Объективы микроскопов неподвижны в трубе (тубусе), а окуляр можно передвигать и заменять другими. Рассматриваемый микроскоп (с max увеличением до 100 раз) применяется для биологических исследований, есть микроскопы для изучения металлов, минералов…

Фронтальный ученический эксперимент №2

Рассмотрим при помощи лупы образец песка, который имеется в нашей Республике. Вы видите, что содержание кварцита (бесцветных, сверкающих песчинок) мало. Поэтому песок для варки стекла следует обогащать.

Фотохронные стекла

Ученик 3: 1965г. - дата рождения фотохронных стекол, у которых облучение ультрафиолетовым светом вызывает потемнение, сменяющееся просветлением после прекращения действия света. Это боросиликатные стекла с равномерным включением кристалликов галогенидов серебра. При ярком солнечном освещении такие стекла темнеют благодаря реакции разложения, Ag Br <--> Ag⁺ + Br^{^{^_}} приводящей к освобождению чистого серебра, но в помещении или на улице в тени или в сумерках атомы серебра - катионы, тут же снова соединяются с анионами-галогенами, образуя прозрачные соли серебра. Стекло опять пропускает свет.
Помимо утилитарного применения (в солнцезащитных очках), такие стекла - отличный материал для запоминающих устройств компьютеров.

Волоконная оптика

Учитель физики: В 60-ых годах XX века появилась новая отрасль техники - волоконная оптика, основанная на явлении полного отражения света внутри стеклянных волокон. Рассмотрим схему следующего опыта.
Пусть луч света переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду. Мы наблюдаем падающий луч и преломленный. При увеличении угла падения яркость преломленного луча уменьшена, но зато появляется отраженный луч. Если же угол падения луча равен или превышает некоторый угол, названный предельным, свет не выходит за пределы первой среды (рис.1).

Рис. 1

Рис. 1

Свет либо распространяется внутри второй среды вдоль поверхности раздела сред, либо целиком отражается от нее. Это явление называется явлением полного внутреннего отражения света, для стекла =42^o.
Подобное отражение света происходит и в том случае, если на торец изогнутого стеклянного стержня направить луч света (опыт со световодом).
Что же происходит? Сам стержень слабо освещен, зато торец светится ярким зеленым цветом. Почему? Потому что стекло, из которого изготовлен стержень низкого сорта, содержит примеси железа, придающие ему зеленый цвет. А что происходит внутри стержня? Обратимся к рисунку, мы видим, что если луч света, входящий в один конец стержня, уже в начале изгиба падает на его внутреннюю поверхность под углом, большим предельного, происходит полное внутреннее отражение света. Очевидно, что чем тоньше стержень, тем свет претерпевает большее число отражений и тем меньше потери света внутри стержня. Оказалось, что тонкая нить 0.005см в диаметре, изготовленная из кварцевого стекла с добавками германия, бора и титана, является самой прозрачной. Оптическое волокно - это стеклянная нить, покрытая тонкой пленкой из материала с меньшим коэффициентом преломления, чем у стекла. Создание высокопрозрачных, гибких волокон стало технологическим венцом. Появилось средство для подсветки в труднодоступных местах, для эндоскопии.

Волокнооптическая лазерная связь:

1. Обеспечивает ничтожно малое затухание сигнала в волокне, во много раз меньше, чем у проводных линий.
2. Высочайшая пропускная способность кажется фантастической! По такому каналу полный текст Большой Энциклопедии проскочит меньше, чем за 1 секунду.
3. Волоконным линиям не нужна тяжелая и дорогая экранировка от электромагнитных воздействий.

Калейдоскоп

Всем известна детская игрушка, носящая название калейдоскоп: горсточка пестрых осколков стекла отражается в трех плоских зеркальцах, образуются удивительно красивые фигуры, разнообразно меняющиеся при повороте калейдоскопа. Долго калейдоскоп был лишь игрушкой, лишь в наши дни узоры используют для орнаментов обоев, ковров, тканей…Поэт Михаил Щербаков так сказал о нем:

"Не угодно ль, вот оптический прибор, нехитрый,
Так, система трех зеркал в цилиндре,
Плюс цветные пустяки…
На свет ее направь,
Ну, чем тебе не явь!?"

Цветные стекла

Учитель химии: В калейдоскопе использованы стекла различного цвета. Как достигается цвет у стекла? Для этого искусственно вводят добавки.
Рассмотрим таблицу.

Цвет стекла	Добавка
Синий	CoO
Изумрудно-зеленый	Cr₂O₃
Фиолетовый	MnO
Зеленый	Соединения Fe²⁺

Фронтальный ученический эксперимент №3

Чтобы сделать оконное стекло матовым, нужно дважды нанести на него кистью смесь порошкообразного мела с жидким стеклом.
Na₂SiO₃ + CaCO₃ = матовый цвет Эта смесь служит основой огнеупорной замазки. Она склеивает стекла и фарфор.
Примеси искусственно вводят для получения цветного стекла. В других случаях введением примесей добиваются изменений свойств стекла. Например, стекло с CdO задерживает нейтроны, PbO - рентгеновские лучи, окислы ванадия - ультрафиолет…

Ломоносов возродил в России древнее искусство мозаики из цветного стекла, в его мастерской было создано 40 мозаик, до наших дней сохранилось 24.

Рис. 10

Стекло - аморфное тело (рис.2).

Рис. 2

Рис. 2

Приведенная схема структуры натрий-силикатного стекла дает представление о размещении в решетке металлических ионов: они без какой-либо четкой последовательности располагаются в пустотах силикатной сетки. Поэтому стекло, в противоположность кристаллу, не обладает определенной температурой плавления, а в процессе нагревания размягчается постепенно.

Заключение

Нас окружает стеклянный мир: его много в любой квартире - и окна, и посуда, и зеркала, и люстры, и лампочки. А вспомним стеклянные линзы в телескопе, в микроскопе, в очках, в объективах фотоаппаратов…
Члены городского Совета и средств массовой информации выслушали рассказ о новом заводе и о том, как он повлияет на жизнь города.
Выслушайте отрицательные и положительные стороны проекта.

Отрицательные:

1) Стекло варят при большой температуре. Авария может покалечить людей, а так же выбросы отходов горения в атмосферу загрязняют ее.
2) В процессе варки стекла используют щелочь, которая может попасть в водную систему.
3)Скапливаются химические отходы на территории предприятия.

Положительные:

1) Завод даст рабочие места.
2) Стекло будет дешевле, чем завозится в Республику.
3) Стекольный завод облагается налогами, а их поступление может резко увеличить городской бюджет.
Голосование. Подсчет голосов (ученики голосуют при помощи сигнальных карточек: красная - строить завод, зеленая - не стоить).

ТЕСТ

1. Показатель преломления относительно воздуха для воды, стекла и алмаза соответственно равны: 1,33; 1,5; 2,42. В каком из этих веществ предельный угол полного отражения при выходе в воздух имеет минимальное значение?

а) в воде
б) в стекле
в) в алмазе
г) во всех веществах одинаковое

Правильный ответ: в)

2. В состав обычного стекла входят:

а) Na₂O, SiO₂
б) Na₂O, CaO, SiO₂
в) K₂O, CaO, SiO₂
г) Na₂O, CaO, SiO₂, B₂O₃

Правильный ответ: б)

3.С помощью собирающей линзы получили изображение светящейся точки. Чему равно увеличение линзы, если d=0,5м, а f=1м. а) 0,33 б) 0,5 в) 1,5 г) 2

Правильный ответ: г)

4. На чем основана сущность взаимодействия карбонатов с песком в производстве стекла? Укажите правильный ответ:

а) на реакции обмена
б) на свойстве нелетучих кислотных оксидов (ангидридов кислот) вытеснять при сплавлении с карбонатами летучие оксиды
в) на свойстве образовывать силикаты
г) на свойстве кислотных и основных оксидов сплавляться с образованием солей.

Правильный ответ: б)

8.12.2003