ساختار و خصوصیات شیشه

 تعریف شیشه

در تعریف شیشه گفته شده است که «شیشه جسمی است شفاف و حاکی ماوراء و شکننده و مخلوطی است از سلیکات های قلیایی. این اجسام را در کوره و در قالب ریزند شیشه دارای شکل هندسی نیست و در نتیجه می‌توان آن را به شکل دلخواه درآورد اما ساده‌ترین تعریف از شیشه آن است که گفته شود، شیشه مایعی است سفت شده ».

 قابل ذکر است که شیشه در اذهان عمومی به عنوان جسمی بلوری جای گرفته است و گاه با نام بلور خوانده می شود اما بر خلاف این، تصور می‌شود در ساختار شیشه هیچ نوع بلوری وجود ندارد؛ که این مطلب باعث شگفتی است چرا که همه چیز در شیشه عجیب و اسرارآمیز و پر رمزوراز به نظر می‌رسد.

 در هر جسم جامد، عناصر دارای نظم و ترتیبی هستند که به آن ساختار جسم، یعنی ساختمان داخلی جسم می‌گویند اما این ساختار در مورد شیشه تا مدت‌ها مبهم بود. خاصیت های گوناگون اجسام بلورین کم و بیش معلوم بود و قاعده های زیادی برای پی بردن به آن و توجیه و رده بندی آنها پیدا شده بود، ولی خاصیت ساختمان داخلی شیشه با این قواعد به طور کامل قابل تطبیق نبود و در بسیاری از موارد هم کاملا متفاوت بود به طور مثال اکثر بلورها نقطه ی ذوب مشخص دارند ولی شیشه در اثر گرم شدن ابتدا نرم و بعد کم کم نرم‌تر و به تدریج گداخته می‌شود و در حقیقت اصلا پدیده‌ی ذوبی در کار نیست.

بلورها همگی در برابر اشعه ی x خطوط معینی که به نام طیف رونتگن معروف هستند به دست می دهند در صورتی که شیشه نوارهای نامنظم تیره ای روی کاغذ عکاسی به جای می گذارد. این گونه اختلاف ها میان خواص اجسام بلورین و شیشه زیاد است.

 

ساختار شیشه

 اکثر شیشه های معمولی از چندین ماده ی مرکب درست شده اند که مهم ترین آنها شن، کربنات سدیم، آهک و کربنات پتاسیم است که بسته به کم و زیاد بودن این مواد، خواص شیشه نظیر هدایت جریان برق، مقاومت در مقابل اسیدها و مقاومت در برابر حرارت، تغییر می‌کند.

برای مثال بهتر است شیشه های دروپنجره و ظروف سفره را مورد بررسی قرار داد. همان طور که اشاره شد ، قسمت اعظم این شیشه ها از شن sio2) ) تشکیل شده و سایر مواد به ترتیب شامل سودا یا اکسید سدیم (na2o ) و آهک هستند و اکسیدهای فلزی دیگری نیز در شیشه ها وجود دارند که در رده های بعدی قرار گرفته اند.

شیشه هایی که زیاد مصرف می شوند، از نظر مقدار sio2 رتبه ی اول را دارا می باشند، سودا و آهک هم مقاوم های دوم و سوم را دارند. در واقع این سه اکسید، عناصر اصلی سازنده ی شیشه ی عادی هستند که به شیشه های soda lime silica مشهورند.

گروهی دیگر از شیشه ها نیز ساخته می شوند که بیش از حد شفاف اند و در مقابل تراش که اصطلاحا به آنها کریستال اطلاق می شود، این شفافیت به خاطر وجود مقدار نسبتا زیاد اکسید پتاسیم بوده و دلیل نرم بودن آن به هنگام تراش و کنده کاری هم وجود اکسید سرب pboاست .این نوع شیشه ها بیشتر جنبه ی تزیینی دارند.

دسته ی سوم شیشه ها که مصرف فراوان دارند، شیشه های BorO Silicate هستند که بیشتر مصرف خانگی داشته و به شیشه ی سفره معروف‌اند.

قسمت اعظم مواد تشکیل دهنده‌ی این نوع شیشه SiO2 و بوراکس B2O3 میباشد که در مقام قیاس با شیشه های soda Lime Silica با دوام‌تر بوده و اصطلاحا سخت‌ترند،خصوصا ضربه را بهتر دفع می‌کنند و از آن گذشته به خاطر پایین بودن انبساط حرارتی می‌توان در آنها غذا پخت، که شیشه های پیرکس جزء این گروه شیشه می‌باشند. به این گروه شیشه اصطلاحاً شیشه های نشکن و نسوز نیز اطلاق می‌شود.

 انواع شیشه های دیگر نیز ساخته می شوند که در صنعت موارد استعمال فراوان دارند. تعداد و تنوع و کاربرد شیشه ها به حدی است که می توان ادعا کرد: در حال حاضر بخش مهمی از زندگی بشر را شیشه تشکیل می‌دهد.

 خصوصیات و ویژگی های شیشه

هر شیشه 6 ویژگی دارد که در ادامه به آن ها می‎پردازیم:

 خواص مکانیکی شیشه

در شرایط عادی و معمولی، شیشه مانند یک جسم جامد و ارتجاعی عمل می کند. شیشه چنانچه توده‌ای شکل باشد، کاملا سخت به نظر می‌رسد، اما در حالت ورقه ای، رشته های نازک آن خم می‌شود به شرطی که شعاع خمیدگی در قیاس با ضخامت شیشه، بزرگ باشد.

باید توجه داشت که پیوند سیلیکون - اکسیژن در (sio2) پیوندی بسیار محکم است و بنابراین، شیشه باید ماده ی محکمی باشد و در اساس هم چنین است. رشته های نازک شیشه یی که تازه درست شده باشد، وزنی بیش از 000/70 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع را تحمل می کند. این رقم ۵ برابر مقاومت بهترین فولادهاست و مهم تر اینکه، دو برابر مقاومت تئوریک فولاد است. اما وجود معایب و نواقص، تاثیر عمده یی بر استحکام عملی مواد دارد. چنین معایبی به ویژه معایب در سطح جسم که باعث ترک برداشتن آن می شوند، استحکام واقعی شیشه ی معمولی را به کمتر از 01/0 استحکام تئوریک آن، که از روی قدرت پیوندهای اتمی محاسبه شده، می رساند.

از آنجا که شیشه، عملا جسمی سخت است، نیرویی که باتوجه به نیروی اهرمی به آن وارد می شود، روی معدودی از پیوندهای مولکولی که بر یک ترک  نازک واقعند، متمرکز می شوند. اگرچه این پیوندها بسیار محکمند، سفتی شیشه باعث میشود که عملا نیروهای بسیار عظیمی به تعداد کمی از ساختمان های مولکولی بسیار ریز و میکروسکوپی وارد شوند و پیوندهای نامبرده، خواه قوی باشند یا ضعیف تاب مقاومت نخواهند داشت.

نظر به این که شیشه به مثابه یک مایع، از ساختمان همگونی برخوردار است، فاقد هرگونه مانع یا ناهمگونی درونی برای جلوگیری از رشد ترک خوردگی جسم است. به علاوه موقعی که ترک خوردگی عمق پیدا می کند، نیروی اهرمی مؤثر افزایش می یابد و پابه پای آن، پاره شدن پیوندهای دیگر نیز آسان تر می شود. بنابراین، ترک خوردگی، به سرعت در سراسر طول شیشه گسترش می یابد.

شیشه در برابر ترک خوردگی به گونه یی حساسیت دارد که در برابر فشار کششی ضعیف است، اگرچه در برابر فشار فشرده کننده، یعنی هنگامی که فشارهای وارد شده به ترک خوردگی منجر نشوند، بسیار مقاوم است.

حداقل سه راه برای افزایش استحکام سودمند شیشه وجود دارد که به ذکر این سه روش اکتفا میکنیم:

 ا) برطرف کردن نواقص سطح شیشه که باعث ترک خوردگی آن می شود.

۲) جلوگیری از اعمال نیروهای کششی بر سطح شیشه .

 ۲) جلوگیری از گسترش ترک خوردگی.

 

شفافیت

شفافیت شیشه، از ساختمان اصلی آن به مثابه یک جسم مایع ناشی میشود.شفافیت،خاصیت عمومی مایعات است. در صورتی که در میان جامدات، شفافیت به ندرت یافت می شود. امّا هر مایعی، و در واقع هر شیشه ای، شفاف نیست و ما باید در اینجا نشان دهیم شیشه ای شفاف با مایعات غیرشفاف متفاوت است.

 شیشه طول موج های ویژه ای از نور را جذب می‌کند به همین دلیل است که شیشه ی معمولی نسبت به طول موج های مادون قرمز و ماوراء بنفش واقع در دو سر طیف غیرشفاف است .

شیشه های معمولی، فاقد سیستم های انرژی ای که پذیرای انرژی های گوناگون فوتون های نور مرئی باشد هستند هرچند که این شیشه ها هم پرتوهای مادون قرمز و هم پرتوهای ماوراء بنفش را جذب می کند. اینکه شیشه ی معمولی نور را جذب نمی کند، نه به دلیل خاصیت ذاتی آن، بلکه به سبب انتخاب دقیق مواد برای تولید شیشه است. وجود مقادیر بسیار ناچیزی ازپاره ای ناخالصی ها در شیشه، باعت رنگی شدن یا مات شدن آن می شود. اکسید آهن که به وجود آورنده ی رنگ های سبز و قهوه یی تیره است، بیش از هر ناخالصی دیگر، مشکل ایجاد میکند البته موقعی که می خواهند شیشه رنگی باشد به عمد مقداری از ناخالصی های مناسب را به آن می افزایند . پس شیشه ای معمولی نور را (به مفهومی که برای فلزات صادق است) منعکس نمی نماید، همانگونه که نور مرئی را جذب نمی کند.

 

 انکسار

یکی از پدیده هایی که در شیشه رخ می دهد، انکسار است. انکسار تأثیر شیشه بر منحرف کردن مسیر نور (یا شکستن نور) به دلیل تفاوت سرعت های نسبی حرکت نور در شیشه و هواست.

همان طور که از تعریف بالا مشخص است، هرگاه نور از فضایی به فضای دیگر منتقل شود و سرعت حرکت آن در دو محیط متفاوت باشد، دچار پدیده ی شکست می شود. پدیده ی انکسار نور در شیشه نیز ناشی از همین اختلاف سرعت میان هوا و شیشه است.

 

 تجزیه نور

 این پدیده که اولین بار توسط «نیوتن» کشف شد، بدین شرح است: هرگاه نور مرئی (یا نور سفید) به یک منشور شیشه ای بتابد، این نور به اجزاء و رنگ های تشکیل دهنده ی آن تجزیه می شود که به سبب اختلاف ضریب شکست نسبت به طول موج می باشد و باعث تجزیه ی نور سفید به رنگ‌های تشکیل دهندی آن می شود.

خواصی حرارتی

شیشه جسمی است که نسبت به گرما چندان هادی نیست و شیشه ای که در معرض تغییرات ناگهانی دما قرار می گیرد، ممکن است به سبب پیدایش اختلاف دما میان سطح و داخل آن، فشارهای خطرناکی در آن به وجود آید که باعث ترک برداشتن آن شود. بنا به دلایلی نسبتا آشکار، حرارت دادن ناگهانی شیشه که سطح آن را تحت فشار متراکم کننده قرار می دهد، کمتر از سرد کردن ناگهانی آن، که سطح شیشه را تحت فشار کششی قرار می دهد، خطرناک است. مثلا، طبق تجربه، مقاومت بطری های شیشه یی در برابر گرم کردن آن با سرعت هایی مشخص، دو برابر مقاومت آنها در برابر سرد کردن با همان سرعت است. برای کاربردهایی که وجود شوک حرارتی در آنها پیش بینی شده، استفاده از شیشه سفت شده، مزیت دارد، زیرا سطح آن تحت فشار متراکم کننده قرار دارد. اما این مشکل را به شیوه یی ساده تر حل می کنند. به این ترتیب که از شیشه هایی با ضریب های انبساط حرارتی پایین استفاده می شود، که فراتر از مبحث ماست.

 

خواص الکتریکی

مقاومت شیشه در برابر جریان الکتریکی بسیار زیاد است. در زندگی روزمره، از شیشه به عنوان عایق استفاده می شود. اما از طرفی دیگر شیشه جزء مایعات است و شیشه های معمولی دارای یون‌های فلزی (از قبیل Na+)هستند که اگر حرکت آزاد داشته باشند، می توانند جریان الکتریکی را عبور دهند. بنابراین شیشه فقط به این دلیل عایق است که حالت ناروانی دارد، یون‌های فلزی موجود در آن ثابتند و حرکت آزادانه ندارند. در نتیجه مقاومت الکتریکی شیشه با کاهش ناروانی (به عبارت دیگر با افزایش دما) کاهش می‌یابد. شیشه، در دماهایی که به اندازه ی کافی بالا باشند،ممکن است جریان الکتریکی قابل توجهی را از خود عبور دهد.