Из лаборатории в жизнь: Изучение свойств кварцевого и боросиликатного стекла

Введение

Стеклянные материалы занимают центральное место в нашей повседневной жизни и в лабораторных условиях. Они используются в оборудовании и машинах, которыми мы пользуемся ежедневно. Они занимают центральное место в исследовательских лабораториях и на производстве, обеспечивая точность и безопасность. Кварцевое и боросиликатное стекло занимают ключевые позиции в науке, промышленности и технике. Их выбирают благодаря их уникальным свойствам.

Что такое кварцевое стекло?

Кварцевоестекло состоит в основном из диоксида кремния (SiO₂). Оно существует в двух формах: натуральный кварц и синтетический кварц. Природный кварц образуется в земле в течение тысяч лет. Синтетический кварц производится в контролируемых условиях для достижения высокой чистоты.

Кварцевое стекло очень чистое и очень прозрачное. Оно прозрачно, что делает его идеальным для оптических применений. Оно очень термостабильно. Термическая стабильность приводит к минимальным изменениям в его структуре. Кварцевое стекло имеет низкое тепловое расширение. Оно не меняет своей формы даже при многократном нагревании и охлаждении. Кварцевое стекло очень твердое и химически стойкое. Эти свойства позволяют использовать его в суровых условиях и высокотемпературных процессах.

Кварцевое стекло обычно используется там, где любые загрязнения могут помешать точным измерениям. Четкость оптики важна для большинства научных приборов и высокотехнологичных приложений. Лаборатории, использующие кварцевое стекло, могут применять специализированные оптические компоненты для спектроскопии и высокотемпературных печей.

Что такое боросиликатное стекло?

Боросиликатное стекло изготавливается путем соединения диоксида кремния, оксида бора (B₂O₃) и некоторых других оксидов. Точная формула может отличаться в зависимости от компании. Этот тип стекла стал популярным благодаря таким изделиям, как Pyrex, которые выпускаются уже много десятилетий.

Введение оксида бора придает этому стеклу уникальные свойства. Боросиликатное стекло обладает повышенной устойчивостью к термоударам. Оно выдерживает резкие перепады температуры, не разрушаясь. Его химическая стойкость умеренна и позволяет использовать большинство лабораторных химикатов. Его тепловое расширение ниже, чем у обычного содово-известкового стекла. Это предотвращает поломку при быстром охлаждении или нагревании стекла. Боросиликатное стекло также обладает высокой механической прочностью, что позволяет ему выдерживать такие повседневные нагрузки, как приготовление пищи и хранение химикатов.

Это стекло обычно используется в изделиях, которым необходимы прочность и термостойкость. Оно используется в лабораторных мензурках, колбах и конденсаторах. Благодаря своим свойствам оно также часто используется в домашней посуде.

Различия между кварцевым и боросиликатным стеклом

Эти два стекла обладают различными свойствами. Ниже приводится описание их различий:

Термические свойства:

- Кварцевое стекло размягчается и плавится при очень высоких температурах. Низкие характеристики теплового расширения делают его чрезвычайно полезным для высокотемпературных применений.

- Боросиликатное стекло имеет более низкую температуру плавления, чем кварцевое. Его устойчивость к тепловым ударам является основным преимуществом для лабораторий и общего применения.

Механические свойства:

- Кварцевое стекло очень твердое. Оно также хрупкое. Оно ломается при ударе.

- Боросиликатное стекло менее прочное. Оно обладает хорошей механической прочностью и лучше переносит некоторые удары.

Химическая стойкость:

- Кварцевое стекло устойчиво к большинству химических веществ, таких как кислоты и щелочи.

- Боросиликатное стекло обладает умеренной химической стойкостью, достаточной для большинства лабораторных применений, но со временем разрушается под воздействием сильных кислот и щелочей.

Оптические свойства:

- Кварцевое стекло обладает хорошей прозрачностью и пропусканием ультрафиолетовых лучей (УФ).

- Боросиликатное стекло также прозрачно, но может иметь незначительные отклонения в пропускании ультрафиолета в зависимости от добавок в его составе.

Применение в лабораториях

Кварцевое стекло используется в лабораториях, поскольку оно стабильно при высоких температурах и чисто. Ученые используют кварцевые компоненты в высокотемпературных печах. Его стабильное и прозрачное состояние благоприятно для оптических приборов. В некоторых приборах для спектроскопии используется кварцевое стекло благодаря его точности.

Боросиликатное стекло повсеместно используется в большинстве лабораторного оборудования. Из боросиликатного стекла изготавливают мензурки, колбы и конденсаторы. Его устойчивость к тепловому удару позволяет предотвратить несчастный случай при резком изменении температуры. В оборудовании для химической обработки также используется его износостойкость. Эти два стекла используются для разных лабораторных целей. Кварцевое стекло используется для целей, требующих очень высокой чистоты и стабильности. Боросиликатное стекло подходит для повседневных лабораторных задач и общей химической обработки.

Промышленное и обычное применение

Кварцевое стекло находит применение в современном оборудовании и высокотехнологичных отраслях. Оно используется в волоконной оптике, где требуется точность и прозрачность. Электроника и производство полупроводников также зависят от кварцевого стекла. Кварцевые кристаллы используются в часовом деле для создания точных часовых механизмов.

Боросиликатное стекло широко распространено в быту и промышленности. Посуда из боросиликатного стекла хорошо переносит нагрев. Из этого материала изготавливают лабораторные приборы, которые часто используются в школах. Из боросиликатного стекла часто изготавливают осветительные приборы благодаря его устойчивости к тепловому удару. Кроме того, колбы для хранения химикатов, изготовленные из боросиликатного стекла, надежны и долговечны.

Выбор между этими типами стекла зависит от стоимости, твердости и эксплуатационных требований. Кварцевое стекло отличается большей химической чистотой и высокой термостойкостью. Боросиликатное стекло обеспечивает баланс между стоимостью и производительностью для использования в быту и на производстве.

Эксперименты на практике для изучения свойств

Простые эксперименты помогают лучше понять свойства этих стекол. Следующие эксперименты можно провести в домашней или школьной лаборатории.

Демонстрация термостойкости:

Поместите несколько кварцевых и боросиликатных стекол в отдельные источники тепла. Понаблюдайте, как они реагируют на изменение температуры. Кварцевое стекло должно выдерживать сильное нагревание и не терять форму. Боросиликатное стекло хорошо переносит резкие перепады.

Наблюдение за прозрачностью и коэффициентом преломления

Оба вида стекла следует осветить источником света. Наблюдайте за тем, как свет преломляется через оба материала. Кварцевое стекло обычно имеет четкое и постоянное преломление. Боросиликатное стекло прозрачно, но может иметь незначительные различия.

Добавьте каплю слабой кислоты или основания к каждому образцу. Дайте постоять некоторое время и ополосните стекло водой. Кварцевое стекло почти не подвержено воздействию из-за своей высокой прочности. Боросиликатное стекло, скорее всего, продемонстрирует незначительную реакцию, что свидетельствует о его низкой стойкости.

Эти тесты показывают, как каждый тип стекла ведет себя под нагрузкой. Они показывают, почему определенные типы выбираются для конкретного использования. Простой тест демонстрирует различия в термостойкости, светопропускании и химической стойкости.

Заключение

Кварцевое и боросиликатное стекло обладают особыми свойствами, которые подходят для разных областей применения. Кварцевое стекло отличается высокой чистотой, термостойкостью и низким тепловым расширением. Его целесообразно использовать в высокотемпературных и высокоточных установках в лабораториях и промышленности. Боросиликатное стекло обладает лучшей устойчивостью к тепловым ударам, умеренной химической стабильностью и хорошей механической прочностью. Оно широко используется в лабораторном оборудовании, посуде и промышленных компонентах. Для получения дополнительной информации и проведения STEM-экспериментов, пожалуйста, обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM).

Часто задаваемые вопросы

F: Почему кварцевое стекло подходит для высоких температур?

В: Его чистота и термическая стабильность позволяют ему выдерживать резкие перепады температур с минимальным расширением.

F: Почему боросиликатное стекло часто используется в посуде?

В: Его твердость и высокая устойчивость к тепловому удару позволяют использовать его для приготовления пищи и наливания горячих жидкостей.

F: Чем кварцевое и боросиликатное стекло отличаются по химической стойкости?

В: Кварцевое стекло обладает более высокой химической стойкостью, а боросиликатное стекло - умеренной.