كيف يصنع الزجاج؟
مادة الزجاج مفيدة للغاية بسبب شفافيتها وتعدد استخداماتها ومرونتها الحرارية. بالإضافة إلى ذلك ، فهي غير مكلفة في صنعها وقابلة لإعادة التدوير للغاية. كما أنه خامل كيميائيا ، مما يعني أن الوعاء الزجاجي لن يتفاعل مع الأشياء الأخرى التي يمتلئ بها.
ما هو الزجاج؟
صدق أو لا تصدق ، الزجاج مصنوع من الرمل السائل. يمكنك ان تصنع الزجاج عن طريق تسخين الرمل العادي (الذي يتكون في الغالب من السيليكون ثاني أكسيد ) حتى يذوب ويتحول إلى سائل. لن تجد ذلك يحدث على شاطئك المحلي: تذوب الرمال على ارتفاع لا يصدق درجة حرارة 1700 درجة مئوية (3090 درجة فهرنهايت).
عندما يبرد الرمل المنصهر ، فإنه لا يعود إلى الأشياء الصفراء التي بدأت بها: تخضع ل كامل التحول ويكتسب بنية داخلية مختلفة تماما. لكنها لا يهم كم تبرد الرمال ، فهي لا تتحول أبدا إلى صلب. بدلا من ذلك ، يصبح نوعا من السائل المجمد أو ما هي المواد يشير العلماء إلى مادة صلبة غير متبلورة. إنه مثل الصليب بين مادة صلبة وسائلة مع بعض الترتيب البلوري ل الصلبة وبعض العشوائية الجزيئية للسائل.
الزجاج مادة شائعة في منازلنا لأنه يحتوي على جميع أنواع الخصائص المفيدة حقا. بصرف النظر عن كونها شفافة ، فهي غير مكلفة في صنعها ، وسهلة التشكيل عندما تكون كذلك منصهر ، مقاوم بشكل معقول للحرارة عند ضبطه ، خامل كيميائيا (لذلك لا يتفاعل البرطمان الزجاجي مع الأشياء التي تضعها بداخله) ، و يمكن إعادة تدويرها أي عدد من المرات.
كيف يصنع الزجاج؟
عندما اختبر علماء أمريكيون نموذجا أوليا ل قنبلة ذرية في صحراء نيو مكسيكو في عام 1945 ، تحول الانفجار الرمال في المنطقة المجاورة للتأثير في الزجاج. لِحُسْن اَلْحَظّ هناك طرق أسهل وأقل تطرفا لصنع الزجاج – ولكن كل ذلك يحتاجون إلى كميات هائلة من الحرارة.
في مصنع زجاج تجاري ، رمل يخلط مع نفايات الزجاج (من مجموعات إعادة التدوير) ، رماد الصودا (كربونات الصوديوم) ، والحجر الجيري (كربونات الكالسيوم) وتسخينها في فرن. تقلل الصودا من درجة انصهار الرمال ، مما يساعد على توفير الطاقة أثناء التصنيع ، ولكن له عيب مؤسف: ينتج نوعا من الزجاج يذوب في الماء! ال يضاف الحجر الجيري لوقف حدوث ذلك. المنتج النهائي يسمى زجاج الصودا والجير والسيليكا. إنه الزجاج العادي الذي نقدمه يمكن أن نرى في كل مكان من حولنا.
تفسير عمليه صنع الزجاج خطوه بخطوه ؟
ابدأ برمل الكوارتز ورماد الصودا والحجر الجيري
كما هو مذكور أعلاه ، يبدأ الزجاج بما يعرف باسم الكوارتز و / أو رمل السيليكا. الخطوة الأولى في صنع الزجاج هي خلط رمل الكوارتز هذا مع رماد الصودا (كربونات الصوديوم) والحجر الجيري (كربونات الكالسيوم). يمكن إضافة إضافات أخرى ، اعتمادا على الغرض النهائي أو لون الزجاج.
تسخين المركب
بعد خلط المكونات الأساسية الثلاثة (وأي مكونات أخرى مطلوبة) ، يتم وضع المركب في بوتقة أو حامل مقاوم للحرارة. بمجرد دخولها إلى البوتقة ، يتم وضعها في الفرن وتسخينها إلى 3 درجة اللازمة لإذابة الرمال. بمجرد ذوبان المزيج ، يعتبر الآن زجاجا منصهرا.
حرك الزجاج المصهور
لإزالة الفقاعات من المنتج النهائي ، يجب تقليب الزجاج المصهور لإنشاء سمك ثابت طوال الوقت. غالبا ما تضاف مواد كيميائية أخرى مثل كبريتات الصوديوم للمساعدة في هذه العملية.
قالب الزجاج المصهور
الخطوة التالية في إنشاء المنتج النهائي الشفاف الذي نعرفه باسم الزجاج هي عملية التبريد. هناك طريقتان يمكن القيام بذلك. هذا أولا عن طريق وضع الزجاج المصهور في قالب للسماح له بالتبريد. غالبا ما تكون هذه هي الطريقة التي تصنع بها العدسات وغيرها من العناصر الزجاجية ذات الشكل البسيط اليوم. والثاني ، الذي يستخدمه المنتجون التجاريون غالبا ، هو وضع الزجاج المصهور في حمام من القصدير المصهور وتشكيله بالنيتروجين المضغوط. هذه الطريقة تخلق الزجاج المصقول وقد استخدمت منذ 50s لإنشاء ألواح من الزجاج.
الصلب
في حين أن الزجاج يمكن نظريا أن يتم بعد الخطوة السابقة ، إلا أن هناك خطوة أخرى حاسمة تضاف لمساعدة الزجاج في الحفاظ على قوته بمرور الوقت. في عملية تسمى التلدين ، يتم وضع الزجاج في فرن ، أو فرن ، بين درجات حرارة 750 و 1 درجة فهرنهايت. هذا يزيل أي وجميع نقاط الضغط التي قد تكون تشكلت أثناء عملية التبريد ويجهز الزجاج للاستخدام النهائي.
العمل الفني: صناعة الزجاج المبسطة: خلط وتسخين الرمل والزجاج المعاد تدويره مع كربونات الكالسيوم و صودا.
بمجرد ذوبان الرمل ، يتم سكبه في قوالب لصنع الزجاجات والنظارات والحاويات الأخرى ، أو “تطفو” (يسكب فوق وعاء كبير من معدن القصدير المصهور) لجعله مسطحا تماما صفائح من الزجاج للنوافذ.
هذه الصورة: تصنع ألواح الزجاج المسطحة تماما ذات السماكة الموحدة بواسطة المنصهر العائم زجاج على خزانات عملاقة مملوءة بالقصدير المنصهر. بعد التبريد والتصلب ، يتم قطع الزجاج إلى أي حجم مطلوب.
لا تزال الحاويات الزجاجية غير العادية تصنع في بعض الأحيان عن طريق “blowing” . يتم لف “gob” (كتلة) من الزجاج المصهور حول أنبوب مفتوح ، يتم تدويره ببطء. يتم نفخ الهواء من خلال نهاية الأنبوب المفتوحة ، مما يتسبب في انفجار الزجاج مثل البالون. مع النفخ والدوران الماهر ، يمكن أن تكون جميع أنواع الأشكال المذهلة صنع.
هذه الصورة: صنع قطعة من الزجاج الفني عن طريق النفخ والغزل. تم نفخ الزجاج (على اليمين) في كرة على الأنبوب المعدني الطويل الذي يمكنك رؤيته في أعلى اليمين. يتم الآن تشغيله على نفس الأنبوب لتشكيله بشكل أكبر. لاحظ كيف يتم وضع مشعلين ساخنين من اليسار للحفاظ على الزجاج المنصهر ومرونته حتى يمكن تحويله إلى شكل. تصوير جيمس بون بإذن من الجيش الأمريكي و DVIDS.
يستخدم صانعو الزجاج عملية مختلفة قليلا اعتمادا على نوع الزجاج الذي يريدون صنعه. عادة، أخرى تضاف المواد الكيميائية لتغيير مظهر أو خصائص الانتهاء من الزجاج. على سبيل المثال ، المواد الكيميائية القائمة على الحديد والكروم هي يضاف إلى الرمل المنصهر لصنع زجاج أخضر اللون. زجاج البورسليكات المقاوم للفرن (يباع على نطاق واسع تحت العلامة التجارية PYREX)® هي مصنوعة عن طريق إضافة أكسيد البورون إلى الخليط المنصهر. إضافة أكسيد الرصاص يصنع زجاجا بلوريا ناعما يمكن قطعه بسهولة أكبر ؛ قيمة عالية قطع الكريستال الرصاص يتألق مع اللون لأنه ينكسر (ينحني) الضوء يمر من خلالها. بعض أنواع الزجاج الخاصة مصنوعة من قبل عملية تصنيع مختلفة. الرصاص الزجاج مصنوع من شطيرة أو صفح من طبقات متعددة من الزجاج والبلاستيك المستعبدين معا. يتم تصنيع الزجاج المقوى المستخدم في الزجاج الأمامي للسيارة عن طريق تبريد المنصهر الزجاج بسرعة كبيرة لجعله أكثر صعوبة. يصنع الزجاج الملون (الملون) عن طريق إضافة مركبات معدنية إلى الزجاج أثناء صهره. المعادن المختلفة تعطي الأجزاء المنفصلة من الزجاج ألوانها المختلفة.
هذه الصورة: زجاج البورسليكات ، مثل إبريق PYREX® (الخلفي) ، يمكنه تحمل التغيرات الشديدة في درجة الحرارة ، على عكس الزجاج العادي (الأمامي) ، الذي يتحطم. الجرة الزجاجية العادية في المقدمة أرق قليلا وأخف وزنا إلى حد كبير. يمكنك أيضا أن ترى ، من الواضح جدا أن زجاج البورسليكات ذو لون أزرق قليلا (مثل أكسيد البورون الذي صنع منه).
هل الزجاج صلب … أو سائل؟
العمل الفني: أعلى: في مادة صلبة بلورية منتظمة ، يتم ترتيب الذرات في طريقة أنيقة ويمكن التنبؤ بها. أسفل: في مادة صلبة غير متبلورة ، مثل الزجاج ، يكون الترتيب أكثر عشوائية.
إنه سؤال مثير للاهتمام للغاية.
الجواب هو كلاهما – وليس أي منهما! هناك آراء متباينة على نطاق واسع حول كيفية الإشارة إلى مواد مثل الزجاج التي تبدو وكأنها تشبه إلى حد ما السوائل في بعض النواحي وقليلا مثل المواد الصلبة في البعض الآخر.
في المدارس والكتب ، نميل إلى تعلم أن جميع المواد الصلبة لها هيكل ثابت من الذرات.
في الواقع ، هناك أنواع مختلفة من المواد الصلبة التي لها هياكل مختلفة وليس كل ما نصفه بأنه “صلب” يتصرف بنفس الطريقة تماما. فكر في كتلة من الحديد وكتلة من المطاط. من الواضح تماما أنهم كذلك كل من المواد الصلبة ، ومع ذلك فإن المطاط يختلف اختلافا كبيرا عن الحديد. في الداخل ، المطاط والحديد لهما ذراتهما (في حالة الحديد) والجزيئات (في حالة المطاط) مرتبة في طرق مختلفة تماما. الحديد له بنية منتظمة أو بلورية (مثل إطار التسلق مع ذرات في الزوايا) ، في حين أن المطاط عبارة عن بوليمر (مصنوع من سلاسل طويلة من الجزيئات متصلة بشكل فضفاض معا). أو فكر في الماء. كما قد تكون اكتشفت ، الماء مادة صلبة فريدة تقريبا لأنه يتمدد ليبدأ عندما يتجمد. باختصار ، ليس كل شيء يناسب بدقة في أفكارنا عن المواد الصلبة والسائلة والغازية وليس كل المواد الصلبة ، تتصرف السوائل والغازات بطريقة لطيفة وأنيقة وسهلة الشرح. ال الاستثناءات هي الأشياء التي تجعل العلم مثيرا للاهتمام حقا!
المواد الصلبة غير المتبلورة
دعنا نعود إلى الزجاج. انظر من خلال المجهر داخل بعض الزجاج وستجد الجزيئات التي صنع منها مرتبة في نمط غير منتظم. هذا هو السبب في أن الزجاج في بعض الأحيان يشار إليها باسم مادة صلبة غير متبلورة (مادة صلبة بدون منتظم هيكل بلوري أن شيئا مثل المعدن سيكون لديه). يمكنك انظر أيضا الزجاج الموصوف بأنه “سائل فائق التبريد مجمد”. هذا يكون طريقة أخرى لقول “الزجاج سائل لم يثبت أبدا” ، وهو البيان المحير الذي ستجده أحيانا في كتب العلوم. يمكننا لنفترض أن الزجاج يشبه السائل قليلا ويشبه إلى حد ما المادة الصلبة. لديها الهيكل الداخلي الذي يقع في مكان ما بين بنية السائل وصلب ، مع بعض من رتبة صلبة وبعضها من عشوائية السائل.
الزجاج ليس بأي حال من الأحوال المادة الصلبة الوحيدة غير المتبلورة. من الممكن أن تجعل نوع من الماء يسمى الجليد غير المتبلور يمكن وصفه بأنه بين الصلبة (الماء) والسائل (الجليد). يمكنك القيام بذلك عن طريق تبريد المياه بسرعة كبيرة. يتشكل الجليد بسرعة كبيرة بحيث لا يكون لديه وقت للبناء حتى هيكلها الطبيعي البلوري. لذا فإن ما تحصل عليه يشبه الجليد ولكن يتصرف في بعض النواحي مثل الماء السائل. مواد أخرى يمكن أن تكون مصنوعة في مواد صلبة غير متبلورة أيضا. غالبا ما تصنع الخلايا الشمسية من شيء يسمى السيليكون غير المتبلور.
لماذا نستخدم الزجاج؟
الصورة: يمكن استخدام الزجاج لإعادة تدوير أخرى المواد. زجاج اليورانيوم له لون أصفر-أخضر غير عادي ويتوهج في الأشعة فوق البنفسجية. صنعت هذه القطع الزجاجية باستخدام نفايات اليورانيوم الناتجة عن تنظيف مصنع فيرنالد لمعالجة اليورانيوم بالقرب من سينسيناتي ، أوهايو ، الولايات المتحدة الأمريكية. التزجيج (تحويل مادة إلى زجاج) هو إحدى طرق التخلص من النفايات النووية بأمان.
