Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №23/2007

В ПОМОЩЬ МОЛОДОМУ УЧИТЕЛЮ

 

Рождение и свойства стекла

9 класс

Цели урока. Обучающие: проследить за историей развития стеклоделия, рассмотреть физико-химические свойства стекла, области применения и способы получения стекол.

Воспитательные: воспитать у учащихся экологическую культуру, культуру труда, развить интерес к учению, инициативность и любознательность.

Развивающие: способствовать формированию научного мировоззрения, общенаучных умений и навыков.

Оборудование и реактивы. Горелка, стекловолокно, ткань, различные типы стекол.

Пою перед тобой в восторге похвалу.
Не камням дорогим, не злату, но Стеклу.
М.В.Ломоносов

ХОД УРОКА

Учитель. Задача химической отрасли промышленности состоит в том, чтобы изменять природные материалы так, чтобы они стали полезными. Мало кто представляет, какие превращения происходят при производстве стекла, как работают химические предприятия. Но ведь промышленность – это наш социальный партнер, и ответственность за производство химических продуктов с минимальным риском и к общей выгоде лежит на всех. Познакомимся сначала с историей открытия стекла.

1-й ученик. Стекло сопутствует человеку на всех этапах его истории. Начало стеклоделия теряется в глубине веков. Наиболее ранняя теория происхождения стекла предложена Плинием Старшим (78 г. н.э.). «Существует предание, – пишет Плиний, – будто бы к устью реки пристал корабль торговцев содой. Рассевшись по берегу, они готовили обед, и поскольку не оказалось камней, чтобы подставить под котелки, они подложили куски соды; когда эти последние разогрелись и смешались с береговым песком, тогда потекли ручьи новой жидкости, что и явилось началом стекла».

В более поздние времена не раз предпринимались попытки воспроизвести этот опыт, но они оказались безуспешными. По-видимому, «теория» Плиния – всего лишь легенда.

2-й ученик. Есть теория, что рукотворное стекло было изобретено случайно, как побочный продукт других ремесел. В те времена обжиг глиняных изделий происходил в обычных ямах, вырытых в песке, а топливом служила солома или тростник. Образующаяся при сгорании зола, т.е. щелочь, при высокой температуре в контакте с песком давала стекловидную массу.

Некоторые считают стекло побочным продуктом выплавления меди.

Учитель. Начало древнего стеклоделия восходит к середине III тысячелетия до н. э. и связано с цивилизациями в долинах рек Нила, Тигра и Евфрата, островом Крит и отдельными народами, например финикийцами. В Египте производство стекла достигло расцвета к 1350 г. до н.э., когда центром стеклоделия стала столица Фивы. От этой эпохи до нас дошли стеклянные кувшины и бусы, которые носили представители царствующего дома. Это были предметы роскоши, доступные только очень влиятельным и состоятельным людям. Из цветных стекол научились изготавливать подделки под драгоценные камни, которые ценились наравне с драгоценностями из природных камней. Уже в Древнем Египте умели изготавливать цветные бусы в подражание многим драгоценным камням.

Известно, что с древних времен камням-самоцветам приписывались чудодейственные свойства, помогающие их обладателям. Так, считалось, что сапфир придает ясность мыслям; изумруд отгоняет дурные сны, отводит черные мысли и успокаивает сердце; бирюза приносит счастье в любви; аметист смягчает злобу, обуздывает ветер и предохраняет от опьянения; яшма исцеляет все болезни. Эти же свойства приписывались и цветным стеклам.

3-й ученик. Во всех музеях, где собраны плоды труда безымянных мастеров далеких эпох, взгляды посетителей всегда привлекают витрины, в которых лежат изделия из стекла: прозрачная посуда, разноцветные бусы и украшения из кусочков окрашенного стекла неправильной формы.

Стеклоделие в России прошло тернистый путь. Развилось оно в IX–X вв., т.е. намного раньше, чем в Америке (XVII в.) и многих других странах Западной Европы. В X–XI вв. в Киеве уже существовали мастерские для производства стеклянных браслетов, бус, колец и тонких бокалов. На территории Киево-Печерской лавры была найдена мастерская по производству цветной мозаики. Мозаикой украшен Михайловский собор, Успенская церковь в Киеве, соборы в Чернигове.

4-й ученик. Первый стеклянный завод в России был построен шведом Елисеем Кохтом в 1635 г. около Москвы, но широкое развитие стеклоделие получило лишь с середины XVIII в. Огромный вклад в производство стекла внес М.В.Ломоносов, основавший в 1753 г. Усть-Рудицкую фабрику. Он создал русское мозаичное производство, сам конструировал и изготавливал различные оптические приборы.

В своем «Письме о пользе стекла» ученый и поэт говорит о его использовании в изготовлении различной посуды, украшений, в строительстве, оптике, астрономии, метеорологии, электричестве. Поэтому понятен тот восторг, который вызывает у него это вещество:

«Из чистого Стекла мы пьем вино и пиво
И видим в нем пример бескорыстных сердец,
Кого льзя видеть сквозь, тот подлинно не льстец.
Стекло в напитках нам не может скрыть примесу;
И чиста совесть рвет притворств гнилу завесу.

* * *

Во зрительных трубах Стекло являет нам,
Колико дал Творец пространство небесам.

* * *

Далече до конца Стеклу достойных хвал,
На кои целый год едва бы мне достал».

Важную роль в развитии русского стеклоделия сыграли Императорский хрустальный и стекольный завод в Петербурге, Гусевский хрустальный завод, Дятьковский и другие, открытые в разное время.

5-й ученик. Начиная с XIX в. производство стекла вышло на новый, промышленный уровень. Этому способствовали многочисленные научные открытия и исследования. В 1910 г. французский ученый Эдуард Бенедиктус изобрел способ производства особо прочного пуленепробиваемого стекла. Такое стекло известно как ламинированное и названо «триплекс».

В 1959 г. английская компания «Пилкингтон бразерс Лтд.» предложила современную методику изготовления высококачественного стекла, сочетающего в себе отличные оптические свойства полированного стекла и экономичность. Расплавленное стекло вытекает в ванну на поверхность расплавленного олова, где оно выравнивается за счет сил поверхностного натяжения и полируется снизу расплавом олова, а сверху – горячим воздухом. Этот способ производства стекла применяется сегодня наиболее широко.

С развитием современных технологий появились полностью автоматизированные предприятия, выпускающие бутылки и стаканы, вазы и флаконы, оконное и защитное стекло, стеклянные полые кирпичи и стеклянную черепицу, стеклянное волокно и изоляцию и множество других полезных изделий.

Учитель. Сейчас стекло получают на современных автоматизированных заводах, и нас поражает не только его прозрачность и твердость, но и удивительно низкая стоимость. Химики-технологи научились создавать стекло практически без отходов: побочные продукты реакции вновь возвращаются в производство, уменьшая количество исходных веществ и удешевляя процесс изготовления стекла.

Люди уже забыли времена, когда стекло считали предметом роскоши. Во Франции 200 лет назад оконные стекла даже облагались особым налогом!

Существует четыре типа стекла: жидкое (концентрированные растворы силикатов натрия и калия), типичное, кварцевое и органическое.

Жидкое стекло получают сплавлением оксида кремния(IV) со щелочами и карбонатами:

Пропитанные жидким стеклом изделия из дерева и тканей плохо загораются, поэтому таким способом обрабатывают материалы, идущие на изготовление театральных декораций.

(Демонстрационный опыт «Горение стекловолокна и обычной ткани».)

Изделия из стекла
Изделия из стекла

Чтобы стекло было нерастворимым в воде, в него вводят третий компонент – известняк CaCO3:

Химический состав оконного стекла отвечает формуле:

Na2O • CaO • 6SiO2

(Na2O – 12,9%, CaO – 11,6% , SiO2 – 75,5%),

однако на практике наблюдаются отклонения от этого состава.

Типичные стекла подразделяют на:

– оконное и бутылочное;

– оптическое;

– лабораторное;

– биостекло.

(Демонстрация различных типов стекол.)

Всем известна детская игрушка – калейдоскоп: горсточка пестрых осколков стекла отражается в трех плоских зеркальцах, образуются удивительно красивые фигуры, меняющиеся при повороте.

Долго калейдоскоп был лишь игрушкой, но в наши дни его используют для создания орнаментов обоев, ковров, тканей. В калейдоскопе использованы стекла различного цвета. Для их получения в стекло искусственно вводят добавки: оксид кобальта позволяет получить синий цвет; оксид хрома(III) – изумрудно-зеленый, оксид марганца(II) – фиолетовый, соединения железа(II) – зеленый.

В других случаях введением примесей добиваются изменений свойств стекла. Например, стекло, содержащее оксид кадмия, задерживает нейтроны, оксид свинца(II) – рентгеновские лучи, оксиды ванадия – ультрафиолетовый свет.

Стекло – аморфное вещество. Ионы металла 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.

Структура стекла подобна структуре кристаллического тела: она представляет собой решетку, в узлах которой расположены атомы. Но в отличие от кристаллической решетки структура стекла неправильная, в ней нет регулярного повторения одних и тех же структурных элементов.

Основу структуры силикатного стекла составляют тетраэдры [SiO4], которые связываются друг с другом, образуя пространственную решетку.

Стекло – это некристаллический твердый материал.

Стеклянные изделия вызывают неподдельное удивление, восторг перед превращениями веществ, происходящими в природе и творимыми человеком.

«Изумление – есть начало философии», – писал армянский мыслитель и полководец Давид Непобедимый, родившийся пятнадцать веков назад. А философия объединяет все науки.

Л и т е р а т у р а

Крицман В.А. Книга для чтения по неорганической химии. М.: Просвещение, 1984; Ломоносов М.В. Письмо о пользе стекла. Сочинение. М.: Современник, 1987; Колтун М. Мир химии. М.: Детская литература, 1988; Химия. Справочник школьника. М.: Слово, 1999.

С.В.ЛАРИНА,
учитель химии
(г. Нижнекамск)