Rodzaje szkła laboratoryjnego i jego właściwości

 

Wyroby szklane jako podstawowe wyposażenie laboratorium

Szkło laboratoryjne jest wszechstronnym i nieodzownym elementem we wszelkich badaniach i analizach. W miarę dynamicznego postępu w dziedzinie wyposażenia laboratoryjnego stawiane są coraz wyższe oczekiwania wobec wyrobów szklanych. Na całym świecie naukowcy polegają na wysokiej jakości akcesoriach laboratoryjnych, umożliwiających kontrolowane przeprowadzanie doświadczeń.

W niniejszym artykule przyjrzymy się właściwościom i zastosowaniom tego materiału.

 

Typy szkła laboratoryjnego i zastosowanie

 

Szkło sodowo-wapniowe

To popularne i ekonomiczne szkło użytkowe, produkowane poprzez proces topienia surowców — głównie sodu, wapnia i krzemionki. Wyroby z tego szkła są mniej odporne na działanie substancji chemicznych i temperatury niż szkło borokrzemowe.

Szkło sodowo-wapniowe wykorzystuje się w badaniach niewymagających specjalnej odporności chemicznej i termicznej.

 

Szkło borokrzemowe

Szkło borokrzemowe zawiera w swoim składzie głównie krzem i bor. Wyroby borokrzemowe to akcesoria wysokiej jakości. Cechują się wysoką odpornością na szybkie i znaczne zmiany temperatury, stąd nazywane jest szkłem żaroodpornym. Wyróżnia się także bardzo dobrą wytrzymałością na długotrwałe działanie wody* i różnego rodzaju substancji chemicznych.

Stanowi idealne rozwiązanie w laboratoriach, w których używane jest szkło o wysokiej odporności termicznej i chemicznej.

 

Szkło kwarcowe

Szkło kwarcowe to wysokiej jakości szkło, które zawiera co najmniej 98% dwutlenku krzemu w składzie. Charakteryzuje się wysoką przepuszczalnością świetlną w zakresie od promieniowania ultrafioletowego do średnich fal podczerwieni. Wykazuje doskonałą odporność termiczną oraz na działanie wody* i większości substancji chemicznych, z wyjątkiem alkaliów.

Szkło kwarcowe stanowi istotny materiał wykorzystywany w wyrobach do fotometrii i spektroskopii. Znajduje także zastosowanie w produkcji naczyń narażonych na trudne warunki jak parownice, czy wanienki do wyżarzania.

 

Szkło optyczne

Szkło optyczne cechuje się wysokiej jakości parametrami fizycznymi jak przepuszczalność świetlna i jednorodność optyczna. Wykazuje również dobrą odporność mechaniczną i chemiczną.

Znajduje praktyczne zastosowanie do produkcji takich akcesoriów jak soczewki, pryzmaty i inne materiały wysokiej jakości w układach optycznych.

 

Tabela 1. Przybliżony skład chemiczny

Tlenek	Szkło sodowo-wapniowe	Szkło borokrzemowe	Szkło kwarcowe	Szkło optyczne
SiO2	72,6%	80%	99,73%	71,2%
B2O3	-	13%	-	0,9%
Na2O	13,9%	4%	-	12,5%
CaO	8,4%	-	0,02%	6,4%
Al2O3	1,1%	2%	0,2%	2,4%
K2O	0,6%	1%	-	2%
SO3	0,3%	-	-	-
MgO	3,9%	-	-	3,8%
Fe2O3	0,1%	-	0,05%	-
BaCO3	-	-	-	0,8%

 

Tabela 2. Porównanie właściwości fizycznych

Parametr	Szkło sodowo‑wapniowe	Szkło borokrzemowe	Szkło kwarcowe	Szkło optyczne
Maksymalna temperatura pracy	110 °C	stała: 450 °C chwilowa (< 10h): 500 °C	stała: 1250 °C	-
Temperatura szoku termicznego	50 °C	-	-	-
Punkt mięknięcia	715 °C	815 °C	1683 °C	-
Punkt wyżarzania	548 °C	560 °C	1215 °C	-
Gęstość	2500 kg/m3	2230 kg/m3	2200 kg/m3	2400 kg/m3
Moduł sprężystości Young'a GPa	72 GPa	64 GPa	72 GPa	50 - 130 GPa
Liczba Poissona	0,23	0,2	0,17	0,2 - 0,3
Przewodność cieplna	0,937 W/(m K)	1,2 W/(m K)	1,4 W/(m K)	0,5 - 1,4 W/(m K)
Ciepło właściwe	0,88 kJ/(kg K)	0,83 kJ/(kg K)	0,67 kJ/(kg K)	0,3 - 0,89 kJ/(kg K)
Wsp. rozszerzalności liniowej [°C]	8,3 * 10-6 °C	3,3 ±0,1 * 10-6 °C	5,5 * 10-7 °C	4 - 16 * 10-6 °C
Średni współczynnik załamania światła w zakresie widzialnym	1.5	1,48	1,46	-

 

Tabela 3. Odporność chemiczna wg norm ISO/DIN

	Szkło sodowo‑wapniowe	Szkło borokrzemowe
Test wg ISO 719 (w 98 °C)	HGB 3	HGB 1
Odporność na wodę Test wg ISO 720 (w 121 °C)	-	HGA 1
Odporność kwasowa Test wg DIN 12 116 (zgodnie z ISO 1776)	-	1
Odporność zasadowa Test wg DIN 52 322 (zgodnie z ISO 695)	-	2

 

Odporność wobec różnych związków chemicznych

• Szkło sodowo-wapniowe wykazuje umiarkowaną odporność chemiczną. Akcesoria sodowo-wapniowe są szczególnie podatne na działanie kwasów i zasad o większym stężeniu.
• Szkło borokrzemowe charakteryzuje się znacznie większą odpornością chemiczną od szkła sodowo-wapniowego. Borokrzemowe naczynia laboratoryjne są odporne na działanie olejów, roztworów azotowych, a także większości kwasów. Wyjątkiem jest kwas fluorowodorowy oraz gorący kwas fosforowy. Uniemożliwiają one tworzenie się ochronnej warstwy krzemionkowej na powierzchni szkła i powodują znaczną korozję. Wpływ alkaliów na powierzchnię naczyń ze szkła borokrzemowego wzrasta wraz ze stężeniem oraz temperaturą.
• Szkło kwarcowe wykazuje mniejszą odporność na działanie silnych związków zasadowych niż inne rodzaje szkła. Cechuje się silną odpornością na działanie wody oraz agresywnych kwasów. Szkło kwarcowe nie jest odporne na działanie gorącego kwasu fosforowego, fluorowodoru, kwasu fluorowodorowego i związków fluorkowych.
• Szkło optyczne posiada umiarkowaną odporność chemiczną. Podatność na działanie substancji chemicznych jest zależna od konkretnego rodzaju szkła optycznego i przeprowadzanych doświadczeń.

 

Szkło laboratoryjne: podsumowanie

Szkło laboratoryjne stanowi podstawowy element wyposażenia laboratoriów.

W doborze odpowiedniego typu wyrobów szklanych należy wziąć pod uwagę ich właściwości fizyko-chemiczne. Wysokiej jakości naczynia laboratoryjne umożliwiają przeprowadzanie doświadczeń nawet w wysoce ekstremalnych warunkach.

Trafny wybór szkła stanowi kluczowy element udanych prac naukowych i satysfakcjonujących wyników.

 

*Szkło nie jest całkowicie odporne na działanie wody. W jego strukturze istnieje wiele mikropęknięć lub nieregularności w ramach krzemianowo-tlenowego szkieletu. Gdy cząsteczki wody zbliżają się do mikropęknięć, zaczynają one stopniowo zwiększać swoje rozmiary. Proces ten jest wynikiem hydrolizy, w trakcie której następuje zerwanie połączeń między atomami krzemu a atomami tlenu, a potem dołączenie grup hydroksylowych do każdego z atomów krzemu. Skutki tego procesu mogą być widoczne w przypadku długotrwałego działania wody.