|
发表于《高中数理化》，也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中学化学关键知识解读》的一篇。 通常所说的玻璃主要指普通硅酸盐玻璃，即含Na2SiO3、CaSiO3、SiO2（过量）的透明硅酸盐材料。广义的玻璃指质地坚硬而透光的实用固体材料，包括只含SiO2单一成分的“石英玻璃”，还有像聚甲基丙烯酸甲酯被称作“有机玻璃”。 中学教材中给出了制造普通硅酸盐玻璃的主要材料（纯碱、石灰石、石英砂）和发生的两个主要反应： Na2CO3 + SiO2高温 Na2SiO3 + CO2↑ CaCO3 + SiO2高温 CaSiO3 + CO2↑ 需要指出的是，在硅酸盐玻璃中，含量最大的还是SiO2，一般玻璃中Na2SiO3、CaSiO3、SiO2的物质的量比约为1:1:4，或者说Na2O、CaO、SiO2的物质的量之比为1:1:6。 从微观结构上看，普通硅酸盐玻璃就是石英晶体内，部分邻近的Si原子之间不再直接共用O原子，被Si原子单独结合的O原子带一个单位负电荷、插入一些Na+、Ca2+以平衡这些负电荷的产物。 夹杂在固体内部的Na+、Ca2+并不会轻易溶出（但不是绝对不溶出）。这就是为什么普通玻璃组成中含有可溶性的Na2SiO3，但从宏观上看不到其溶解现象的本质原因。 本期和下期我们重点就常见的各种不同功能的玻璃制品问题做一些讨论。 1. 为什么说有色玻璃都属于胶体？ 胶体按照分散剂状态不同，有液溶胶、气溶胶、固溶胶之分。有色玻璃中掺入的着色剂跟常见的一般有色物品不同，它们都是具有不同颜色的金属氧化物。 一般颜料在玻璃熔化温度下都会变质、变色，而这些金属氧化物的熔点通常都很高，在玻璃熔化温度下它们不易熔化，不可能以分子大小分散开来，故难以形成溶液状态的有色玻璃。 生产中，人们是把这些有色的金属氧化物研磨成细小、可透光的胶体粒子，将其分散到玻璃之中。所以说，有色玻璃都属于固溶胶，分散剂是玻璃、分散质是金属氧化物。 2. 为什么常见啤酒瓶都是淡绿色或者棕色的？ 一般的啤酒瓶所用玻璃都是最原始、最便宜的玻璃。淡绿色和棕色的啤酒瓶都与玻璃中所含杂质铁的氧化物有关。 铁元素在地壳中含量很大，分布很广。原始玻璃的淡绿色主要来自纳米状态的FeO，可推测此类玻璃的生产过程处于还原性气氛；而棕色主要来自铁的高价氧化态Fe2O3，可推测此类玻璃的生产过程处于氧化性气氛。 可能大家会有疑问，FeO不是黑色的吗，怎么会显淡绿色呢？这跟固体物质存在的尺度有关。在不同尺度下，FeO粒子可呈现“淡绿—绿色—深绿—墨绿—黑色”系列颜色。 后来，有研究者专门对淡绿色和棕色玻璃瓶灌装和保存的啤酒品质从不同的角度加以研究，提出了一些建议，于是才有刻意添加过量FeO、Fe2O3的深绿、深棕色酒瓶出现。 3. 承接上一个问题，无色的窗玻璃应用很广、用量很大，其中的铁氧化物杂质是如何去除的？ 玻璃生产和应用的早期，人们一直认为它就是绿色的。后来，生产商利用光学原理对玻璃加以改良——在玻璃原料中添加一定比例的二氧化锰，MnO2具有氧化性，它将二价铁氧化成三价，三价铁显棕黄色，而锰被还原成三价呈紫色。光学原理告诉我们，淡绿色、棕黄色和紫色在一定程度上具有互补性，按一定比例混在一起可呈无色。常见的无色玻璃主要是这个工艺的产品。 当然，对原料提前加以严格精选，剔除其中的含铁氧化物，这样熔烧出的玻璃也不会有颜色，只是生产成本更高。 4. 其他各种颜色的玻璃是如何制造的？ 如前所述，在普通玻璃制造过程中加入一些有色的金属氧化物（纳米粒子，以保证其透光性），可以使玻璃呈现出不同的颜色。例如：添加Cu2O，制得红玻璃。用于放射性仪器操作人员的防护目镜、装饰玻璃等。 添加Co2O3，制得蓝色钴玻璃。除用于装饰外，我们熟知的钴玻璃片是做焰色反应实验观察钾的焰色（紫色）时滤除（吸收掉）黄光、避免钠元素干扰的必备实验用品。 添加稀土元素镨的氧化物，玻璃颜色可变得接近黑色，能够滤除电焊光弧中的大部分强光，特别是可以吸收紫外线，对电焊工人眼睛实现有效保护。另外还有，制造蓝绿色玻璃可添加CuO；添加CdO可得浅黄色、添加Ni2O3可得墨绿色、添加过量MnO2可得蓝紫色的玻璃。 5. 变色眼镜所用玻璃的变色原理是什么？ 大多数变色玻璃的原理都是利用微观区域内不同条件（光照、通电等）下的可逆化学反应。此处只举一比较容易理解的光致变色实例——卤化银黑白变色玻璃。 将淡黄色的溴化银（或白色的氯化银）和微量氧化铜（催化剂）磨成纳米粒子状态，按照一定比例掺入玻璃原料中熔烧，即得黑白变色玻璃。 由于所用金属氧化物极其微量，故玻璃看上去是无色透明的，当受到太阳光或紫外线照射时，卤化银分解产生纳米银粒子（AgX → Ag + X），虽然晶体状态的银是白色，但是纳米银粒子却吸收可见光呈黑色，这样原来无色透明的玻璃就变成灰黑色。 当把变色后的玻璃放到暗处时，在氧化铜的催化作用下，银和卤素原子又会结合成卤化银（Ag + X → AgX），玻璃恢复近乎无色的状态。 |
|
|
