1.1. Стекло. Часть 1

Большая часть химической посуды и приборов изготавливается из стекла. Твердость и гладкость поверхности облегчает мытье стеклянной посуды, а прозрачность дает экспериментаторам возможность следить за ходом химических реакций и физических процессов.

Стекло хорошо переносит нагрузку на сжатие, хуже - на изгиб, но плохо сопротивляется ударным воздействиям. Ниже приведены характеристики некоторых наиболее употребляемых сортов лабораторного стекла.

Кварцевое стекло состоит из диоксида кремния SiO2 и является самым термостойким стеклом: коэффициент его линейного расширения в пределах 0-1000 °С составляет всего 6*10^-7. Поэтому раскаленное кварцевое стекло, опущенное в холодную воду, не растрескивается.

Температура размягчения кварцевого стекла, при которой достигается динамическая вязкость 10⁷ пуаз (10 Па*с) равна 1250 °С. При отсутствии значительных перепадов давления кварцевые изделия можно применять до этой температуры. Полное же плавление кварцевого стекла, когда из него можно изготавливать изделия, наступает при 1500-1600 °С.

Известно два сорта кварцевого стекла: прозрачный кварц и молочно-матовый. Мутность последнего вызвана обилием мельчайших пузырьков воздуха, которые при плавке стекла не могут быть удалены из-за высокой вязкости расплава. Изделия из мутного кварцевого стекла обладают почти такими же свойствами, как и изделия из прозрачного кварца, за исключением оптических свойств и большей газовой проницаемости.

Поверхность кварцевого стекла обладает незначительной адсорбционной способностью к различным газам и влаге, но имеет наибольшую газопроницаемость среди всех стекол при повышенной температуре. Например, через кварцевую трубку со стенками толщиной в 1 мм и поверхностью 100 см2 при 750 °С за один час проникает 0,1 см3 Н2, если перепад давлений составляет 1 атм (0,1 МПа).

Кварцевое стекло следует тщательно предохранять от всяких загрязнений, даже таких как жирные следы от рук. Перед нагреванием кварцевого стекла имеющиеся на нем непрозрачные пятна снимают при помощи разбавленной фтороводородной кислоты, а жировые - этанолом или ацетоном.

Поверхностные загрязнения могут вызвать расстекловывание, т.е. переход из метастабильного стеклообразного состояния в кристаллическое. Этот процесс, однажды начавшись, приводит к быстрому механическому разрушению изделия. Расстекловывание кварцевого стекла делает его непригодным для нагревания в течение длительного времени при температуре выше 1100 °С.

Кварцевое стекло устойчиво в среде всех кислот, кроме HF и Н3РO4. На него не действуют до 1200 °С С12 и НСl, до 250 °С сухой F2. Нейтральные водные растворы NaF и SiF4 разрушают кварцевое стекло при нагревании. Оно совершенно непригодно для работ с водными растворами и расплавами гидроксидов щелочных металлов.

Даже кратковременный контакт с кварцевым стеклом большинства расплавов хлоридов металлов, расплавов щелочных металлов, магния и алюминия делают невозможным дальнейшее использование кварцевых изделий. При высокой температуре кварц ведет себя как сильная кислота и взаимодействует не только с основаниями, но и оксидами металлов.

Кварцевое стекло при высокой температуре сохраняет свои электроизоляционные свойства. Его удельное электрическое сопротивление при 1000 °С равно 10⁶ Ом*см.

Стекло марки "викор" обладает многими свойствами кварцевого стекла, так как содержит около 96% SiO2. Такое стекло получают из боросиликатного стекла путем его обработки хлороводородной кислотой при нагревании, извлекающей бораты щелочных металлов. Остающийся тонкопористый материал подвергают затем спеканию.

Из этого стекла многие фирмы готовят химическую посуду, конические и шаровые шлифы.

Стекло марки "пирекс" является боросиликатным стеклом с содержанием не менее 80% SiO2, 12-13% В2O3, 3-4% Na20 и 1-2% Аl2О3. Оно известно под разными названиями: корнинг (США), дюран 50, иенское стекло G20 (Германия), гизиль, монекс (Англия), ТС (Россия), совирель (Франция), симакс (Чехия).

Температура размягчения стекла пирекс до динамической вязкости в 10¹¹ пуаз (10¹⁰ Пас) составляет 580-590 °С. Тем не менее стекло пригодно для работ при температурах до 800 °С, но без избыточного давления. При использовании вакуума температуру изделий из стекла пирекс не следует поднимать выше 650 °С. В отличие от кварцевого стекло пирекс до 600 °С практически непроницаемо для Н2, Не, O2 и N2. Фтороводородная и нагретая фосфорная кислоты, так же как и водные растворы (даже 5%-ные) КОН и NaOH, а тем более их расплавы, разрушают стекло пирекс.

Лабораторное стекло фирмы России выпускают нескольких марок: Л-50 (ТХС-2), № 29 (ХС-2), Л-80 (ХС-3), АМК (ХС-3). В соответствии с ГОСТ 21400-75 эти марки означают: ТХС-2 -термически и химически стойкое 2-го класса, ХС-2 и ХС-3 -химически стойкое 2-го и 3-го классов. Состав этих стекол приведен в табл. 1.

Таблица I. Химический состав лабораторных стекол, выпускаемых фирмами России

Марка	Состав, %
Марка	SiO2	B2O3	Аl2O3	СаО	ВаО	Na20	K2O	MgO
ТХС-1	72,4	8,4	3,6	2,0	4,5	5,1	1,8	_
ТХС-2 Л-50	74,5	6,6	5,5	0,7	4,5	4,2	4,0	-
ХС-3 Л-80	71,5	2,0	2,5	6,5		14,5	0,5	2,5
ХС-2 № 29	68,8		3,7	7,5	3,5	10,0	3,0	3,5
ХС-3 АМК	71,5	-	1,3	7,2	4,5	14,5	1,0	3,0
ХС-3 AM	72,0	-	1,5	10,0		14,0		2,5

Температура размягчения стекла марок, указанных в табл. 1, до вязкости 10¹¹ пуаз (10¹⁰ Пас) составляет 540-640 °С. Зная состав стекла, можно прогнозировать появление определенных примесей в растворах, хранящихся или перерабатываемых в сосудах из этого стекла.

При воздействии воды и водных растворов солей на стекло в результате растворения и гидролиза силикатов щелочных металлов на поверхности стекла образуется защитная пленка из SiO2. Такая пленка достаточно устойчива в нейтральных и кислых растворах (кроме HF), но разрушается в щелочных из-за реакций SiO2 + 4КОН = K4SiO4 + 2Н20;

H4SiO4 + 4КОН = K4SiO4 + 4Н20,

переводящих в раствор орто- и полисиликаты щелочных и других металлов, входящих в состав стекла.

Химическую устойчивость лабораторной посуды, изготовленной из стекла марок ХС-2 и ХС-3, можно повысить в 5-6 раз путем обработки внутренней ее поверхности разбавленным водным раствором серной или хлороводородной кислот с последующей выдержкой посуды в этих кислотах в течение 10-20 ч.

Для защиты стекла от воздействия щелочной среды рекомендуют создавать на поверхности стеклянного сосуда специальную пленку, обрабатывая изделие сначала серной кислотой (1:1), а затем, после промывки - расплавленным парафином или стеарином, при 200-300 °С.

Стеклянная химическая посуда может неожиданно растрескиваться без видимой причины. Часто это происходит из-за появления на ее поверхности незначительных царапин, образующихся при механической очистке посуды песком, углем, металлической щеткой и другими твердыми предметами. Царапины могут появиться и тогда, когда посуду ставят на кирпичи, керамические плитки с неровной поверхностью. Поэтому не следует использовать для нагревания стеклянных сосудов песочные бани, как это рекомендуют в некоторых устаревших руководствах.

При закреплении стеклянных изделий в штативах часто недооценивают давления различных лапок и держателей при затягивании винта. Стеклянные предметы следует закреплять в зажимах, снабженных прокладками из эластичных материалов.

Простейшие работы со стеклом. Каждый химик-экспериментатор должен уметь проводить простейшие стеклодувные операции: резать стеклянные трубки и палочки, сгибать и оплавлять, спаивать и заплавлять трубки, вытягивать капилляры.

Рис. 1- Устройство газовой горелки (а), разламывание надрезанной стеклянной трубки (б) и металлическая призма (в)

Приемы и тонкости работы стеклодува-профессионала трудно поддаются описанию. Поэтому в дополнение к описанным ниже приемам неплохо посмотреть на работу стеклодува, если имеется такая возможность.

Для выполнения стеклодувных работ следует иметь в лаборатории газовую горелку с насадками и паяльную горелку (рис. 1, а) с воздуходувкой.

Регулируя кранами 1 и 2 подачу воздуха и газа и передвигая внутреннюю трубку с соплом 5, после ослабления винта 3, можно легко перейти от небольшого спокойного острого пламени 7 к большому шумящему пламени 8, и наоборот. Сетка 6 не дает прорваться пламени внутрь горелки.

Другие части: