شیشه از چی ساخته میشود

اصلی ترین ماده تشکیل دهنده شیشه، سیلیسیم دی اکسید (SiO₂) یا همان شن و ماسه معرفی شده است که حدود ۷۰ درصد ترکیب آن را شامل می شود. برای کاهش دمای ذوب سیلیس و تسهیل فرایند تولید، موادی مانند سودا (کربنات سدیم، Na₂CO₃) و آهک (کربنات کلسیم، CaCO₃) به ترکیب اضافه میشوند. این مواد با سیلیس واکنش داده و ساختار شیشه را پایدارتر می کنند. همچنین، افزودنی هایی مانند اکسید فلزی (مثل منیزیم یا آلومینیوم) برای بهبود مقاومت حرارتی یا شفافیت به کار می روند. فرمول کلی شیشه معمولی به صورت Na₂O·CaO·6SiO₂  نمایش داده می شود که نشان دهنده نسبت ترکیبی این مواد است.

در پادکست کوتاه زیر پاسخ شفافی به شیشه از چی ساخته میشود داده شده است: 

در جدول زیر، ترکیب کلی مواد اولیه شیشه به همراه نقش هر ماده و درصد تقریبی ترکیب آورده شده است:

مواد اولیه شیشه

مواد تشکیل دهنده شیشه عمدتاً از ترکیب چند ماده معدنی و افزودنی خاص ساخته می شود که هرکدام نقش کلیدی در تعیین ویژگی نهایی آن دارند. مهمترین ماده اولیه، سیلیسیم دی اکسید (SiO₂) یا سیلیس است که معمولاً از شن و ماسهٔ کوارتزی استخراج می شود و حدود ۷۰-۷۵٪ ترکیب شیشه را تشکیل می دهد. سیلیس به تنهایی در دمای بسیار بالا (حدود ۱۷۰۰°C) ذوب می شود و ساختار اصلی شیشه (شبکه اکسیدی) را می سازد. برای کاهش دمای ذوب و تسهیل فرایند، سودا (کربنات سدیم، Na₂CO₃) به عنوان «گدازآور» افزوده می شود که دمای ذوب را تا حدود ۱۰۰۰°C  پایین می آورد. اما سودا موجب حل شدن شیشه در آب می شود؛ بنابراین آهک (کربنات کلسیم، CaCO₃) به ترکیب اضافه می گردد تا پایداری شیمیایی و مقاومت مکانیکی شیشه را افزایش دهد. این سه ماده با نسبتهای مشخص (معمولاً ۷۲٪ سیلیس، ۱۵٪ سودا، ۹٪ آهک و ۴٪ افزودنی ها) ترکیب می شوند و فرمول کلی شیشهٔ سودالایم را بهصورت Na₂O·CaO·6SiO₂  شکل می دهند.

افزودنی ثانویه نیز برای بهبود خواص فیزیکی-شیمیایی شیشه استفاده می شوند:

• آلومینا (Al₂O₃): از خاک رس یا فلدسپات تأمین می شود و مقاومت شیشه در برابر سایش و تغییرات دمایی را افزایش می دهد.
• منیزیم اکسید (MgO): جایگزین بخشی از آهک می شود تا شیشه در برابر رطوبت مقاومتر گردد.
• اکسیدهای فلزی: مانند آهن (FeO) برای ایجاد رنگ سبز، کبالت (CoO) برای آبی، یا منگنز (MnO₂) برای شفافیت و خنثی سازی رنگ ناخواسته.
• سولفات ها یا نیترات ها: به عنوان «مواد تصفیه کننده» برای حذف حباب گاز از مذاب استفاده می شوند.

برای ساخت شیشه از متریال ها و محصولات مختلفی استفاده می شود. یکی از انواع این محصولات، ماده ای دانه ای شکل است که می تواند برای تولید ایمن شیشه مورد استفاده قرار گیرد. این ماده دانه ای در واقع همان سیلیس است که می تواند نقش مهمی را در کاهش نقطه ذوب شیشه داشته باشد. با این حال باید برای اضافه کردن این ماده به شیشه توجه زیادی داشت. چرا که افزایش مقدار اضافه شدن آن به شیشه باعث کاهش استحکام شیشه خواهد شد. این ماده دانه ای باید با درصد مناسب استفاده شود تا اثربخشی مناسبی داشته باشد.

مواد اولیه شیشه چیست علوم هفتم؟

در سطح علوم هفتم، که به دنبال درک مفاهیم اساسی هستیم، مواد تشکیل دهنده اصلی شیشه به سادگی شامل ماسه (سیلیس)، سودا (کربنات سدیم) و آهک (کربنات کلسیم) معرفی می‌شوند. این سه ماده، ستون فقرات تولید شیشه را تشکیل می‌دهند و هر یک وظیفه مهمی بر عهده دارند:

• ماسه (سیلیس): ماده اصلی و سازنده ساختار شیشه است.
• سودا (کربنات سدیم): دمای ذوب ماسه را کاهش می‌دهد تا فرآیند تولید آسان‌تر و کم‌هزینه‌تر شود.
• آهک (کربنات کلسیم): به شیشه استحکام و پایداری می‌بخشد و از حل شدن آن در آب جلوگیری می‌کند.

این ترکیب ساده، پایه و اساس تولید رایج‌ترین نوع شیشه، یعنی شیشه سودا-لایم است.

شیشه از چه سنگی درست می شود

پایه‌ای‌ترین ماده برای ساخت شیشه، سیلیسیم دی‌اکسید (SiO₂) است که عمدتاً از ماسه کوارتز به دست می‌آید. ماسه کوارتز در واقع نوعی سنگ رسوبی است که از دانه‌های ریز کوارتز تشکیل شده و منبع اصلی سیلیس برای تولید شیشه محسوب می‌شود. برای تولید شیشه شفاف و باکیفیت، این ماسه باید خلوص بسیار بالایی داشته باشد و میزان آهن آن کم باشد. علاوه بر سیلیس، از سنگ آهک (منبع کلسیم کربنات) نیز برای جلوگیری از نفوذ آب و افزایش پایداری شیشه استفاده می‌شود. در طبیعت، برخورد آذرخش با ماسه می‌تواند ساختاری ریشه‌مانند به نام سنگ آذرخشی (فولگوریت) ایجاد کند که نوعی شیشه طبیعی است و نشان‌دهنده توانایی طبیعت در ساخت شیشه از ماسه تحت شرایط خاص است.

چطور شیشه از ماسه ساخته می‌شود؟

ماسه، به دلیل داشتن درصد بالای دی‌اکسید سیلیکون (سیلیس)، ماده خام اصلی برای تولید شیشه است. برای ساخت شیشه، ماسه باید تقریباً کوارتز خالص باشد و ناخالصی‌هایی مانند اکسید آهن در آن بسیار کم باشد تا شیشه نهایی شفاف و بی‌رنگ شود. این فرآیند با حرارت دادن ماسه تا دمای حدود ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد (و بالاتر در مراحل بعدی) آغاز می‌شود تا کاملاً ذوب و یکدست شود. در این حالت، ماسه به مایعی روان و ویسکوز تبدیل می‌شود که دیگر نمی‌توان آن را به حالت دانه‌ای قبل بازگرداند. با افزودن مواد دیگر مانند کربنات سدیم (برای کاهش دمای ذوب) و کربنات کلسیم (برای افزایش پایداری) و کنترل دقیق فرآیند سردسازی (بازپخت)، این مایع به شیشه جامد و شفاف تبدیل می‌شود. این فرآیند شیمیایی-فیزیکی، ماهیت مولکولی ماسه را تغییر می‌دهد و آن را به ماده‌ای با ساختار آمورف تبدیل می‌کند.

ماسه‌ای که معمولاً برای ساخت شیشه استفاده می‌شود، از ذرات کوچک کریستال کوارتز تشکیل شده است. وقتی این مولکول‌ها تا دمای بسیار بالا گرم شوند، ماسه ذوب شده. ساختار کریستالی خود را از دست می‌دهد و هنگامی که خنک می‌شود. ساختار کاملاً متفاوتی به دست می‌آورد. این حالت میانی به عنوان یک جامد غیر‌بلوری (آمورف) شناخته می‌شود. corning

شیشه رنگی از چی ساخته می‌شود؟

شیشه رنگی با افزودن اکسیدهای فلزی خاص به ترکیب مواد اولیه در مرحله ذوب تولید می‌شود. این اکسیدها با جذب طول موج‌های خاصی از نور، باعث می‌شوند شیشه به رنگ‌های مختلف دیده شود. به عنوان مثال:

• اکسید آهن: می‌تواند رنگ‌های سبز (در غلظت‌های پایین) یا قهوه‌ای (در غلظت‌های بالاتر) ایجاد کند.
• اکسید کبالت: برای تولید رنگ آبی روشن و عمیق استفاده می‌شود.
• اکسید کروم یا مس: می‌توانند رنگ‌های سبز (اکسید کروم) یا قرمز (اکسید مس در شرایط احیایی) ایجاد کنند.
• گوگرد، کربن و نمک‌های آهن: در ترکیب با یکدیگر می‌توانند رنگ‌های کهربایی (از زرد تا سیاه) را تولید کنند.

این افزودنی‌ها به دقت کنترل می‌شوند تا رنگ و خواص نوری مورد نظر حاصل شود و در کاربردهای تزئینی، هنری و معماری مورد استفاده قرار گیرند.

نقش هر یک از مواد تشکیل دهنده شیشه

• سیلیس (ماسه): منبع اصلی سیلیسیم دی‌اکسید (SiO₂) و ماده شبکه‌ساز شیشه است که حدود ۷۰ تا ۷۴ درصد از ترکیب شیشه سودا-لایم را تشکیل می‌دهد. خلوص بالای آن، به ویژه کم بودن آهن، برای تولید شیشه شفاف ضروری است، زیرا آهن می‌تواند باعث ایجاد رنگ سبز در شیشه شود.
• سودا (کربنات سدیم): به عنوان عامل کاهنده دمای ذوب سیلیس عمل می‌کند. سیلیس به تنهایی در دمای بسیار بالایی (حدود ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد) ذوب می‌شود، اما افزودن سودا این دما را به حدود ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد و به کاهش مصرف انرژی در فرآیند تولید کمک می‌کند.
• آهک (کلسیم کربنات): از سنگ آهک به دست می‌آید و حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد از ترکیب شیشه را شامل می‌شود. آهک استحکام مکانیکی شیشه را افزایش می‌دهد، از نفوذ آب جلوگیری کرده و پایداری شیمیایی آن را بهبود می‌بخشد.
• فلدسپات (KAlSi₃O₈): به عنوان تعدیل‌کننده و کاهنده دمای ذوب عمل کرده و به همگنی مذاب کمک می‌کند. همچنین منبع آلومینا است که مقاومت شیمیایی و مکانیکی شیشه را افزایش می‌دهد.

در ادامه، جدول زیر به تفصیل مواد اولیه اصلی و فرعی مورد استفاده در تولید شیشه، به ویژه شیشه کریستال، را به همراه نقش و عملکرد هر یک نشان می‌دهد:

مواد اولیه شیشه صنعتی و افزودنی‌های خاص

برای تولید شیشه صنعتی باکیفیت، علاوه بر مواد پایه، مجموعه‌ای از افزودنی‌ها و ترکیبات شیمیایی تخصصی به کار می‌رود که هرکدام نقشی مهم در شفافیت، رنگ، استحکام و کنترل واکنش‌های فرآیند ذوب و شکل‌دهی ایفا می‌کنند.

• عوامل تصفیه: سنگ گچ (CaSO₄·2H₂O) و سولفات سدیم (Na₂SO₄) برای حذف ناخالصی‌ها و حباب‌های هوا از مذاب شیشه استفاده می‌شوند تا محصول نهایی شفاف و بدون عیب باشد.
• عوامل اکسیدکننده/احیاکننده: نیترات سدیم (NaNO₃) به عنوان اکسیدکننده و زغال (C) به عنوان احیاکننده برای کنترل واکنش‌های شیمیایی در کوره و تنظیم حالت اکسیداسیون فلزات رنگ‌زا به کار می‌روند.
• عوامل متعادل‌کننده رنگ (دکولورایزر): آرسنیک (As₂O₃) و دی‌اکسید منگنز برای از بین بردن رنگ‌های ناخواسته (مانند سبز کم‌رنگ ناشی از وجود آهن) در شیشه استفاده می‌شوند تا شیشه کاملاً بی‌رنگ و شفاف به نظر برسد.
• اکسیدهای فلزی برای رنگ‌دهی: اکسید آهن (برای رنگ‌های سبز یا قهوه‌ای)، اکسید کبالت (برای رنگ آبی)، اکسید کروم یا مس (برای رنگ‌های سبز یا قرمز) و اکسید کادمیوم (برای رنگ زرد) برای ایجاد رنگ‌های مختلف در شیشه به کار می‌روند.
• افزودنی‌های خاص: اکسید سرب (در شیشه کریستال برای افزایش درخشش و ضریب شکست)، تری‌اکسید بور (در شیشه بوروسیلیکات برای مقاومت حرارتی بالا) و اکسید آلومینیوم (برای افزایش استحکام و دوام).