本帖最后由 twq19810302 于 2022-8-3 10:38 編輯 ) U- I [7 @# k5 R' X5 s! t
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自然界中的降解玻璃作為日常生活中再常見不過(guò)的物品，從玻璃被制造出的那天起,，這種神奇的物品極大地方便了人們的生活,。 同樣在建筑學(xué)中，玻璃也有十分優(yōu)秀的創(chuàng)造性,。 不過(guò)在玻璃的使用中,，由于它的質(zhì)地很脆，一個(gè)不小心,，可能玻璃就碎了,。 破裂的碎片不僅可以給人造成劃傷，并且進(jìn)行垃圾回收時(shí)也很不方便,。 " `4 ?3 }. w4 h7 f: R
現(xiàn)代社會(huì)常常在講塑料制品的危害,，但很多時(shí)候我們都忽略了玻璃制品給環(huán)境帶來(lái)的影響。 一個(gè)聽著讓人難以置信的例子便在于,，生產(chǎn)玻璃要比生產(chǎn)塑料造成的環(huán)境破壞更大,。 無(wú)論是玻璃的原料開采環(huán)節(jié)，還是玻璃的生產(chǎn)環(huán)節(jié),，玻璃的制造通常伴隨著大量的環(huán)境污染,。 同時(shí)因?yàn)橹圃觳Ａ枰芨叩臒崃浚虼嗽谥圃爝^(guò)程中,，工廠釋放的二氧化碳和有毒有害氣體便成為了一大污染源,。 8 ]' A% C& R5 k* p. j/ c2 x& r
玻璃生產(chǎn)需要高溫
: e9 X3 M. o- y: }3 u" X8 z. [另外在運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，同等運(yùn)輸量的物品到了玻璃制品這兒,，比如玻璃瓶裝水,。 同樣是100升的液體,，如果要用玻璃瓶進(jìn)行運(yùn)輸，那么就不得不考慮玻璃瓶自身的重量所帶來(lái)的運(yùn)輸成本問(wèn)題,，同時(shí)還要考慮運(yùn)輸過(guò)程中的損壞,。 到了最后的回收流程中，如今全球絕大多數(shù)國(guó)家都沒有完全做到將玻璃瓶或者玻璃制品有效回收,。 不管是普通的玻璃瓶還是可回收玻璃,，自然界無(wú)形中存在著許多廢棄玻璃瓶。
& s- u3 G# w9 v4 x生活中有許多廢棄玻璃瓶
% v) ~* A* s( q" [ K# v盡管與塑料相比,，玻璃瓶被丟棄在自然中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成太多破壞,，但是它也會(huì)帶來(lái)很多不利的影響。 放置在自然環(huán)境中的玻璃很難被降解,，我們可以來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單地對(duì)比,。 生活中最常見的紙巾，我們隨時(shí)都在使用,，它的原材料主要是木漿和纖維,。 自然環(huán)境中想要進(jìn)行降解非常簡(jiǎn)單，大概只需要2~4周就能完全被降解,，甚至某些蔬菜或瓜果都比它能放,。 例如水果中的蘋果，在食用完蘋果之后,，通常蘋果核會(huì)被丟棄,。 由于蘋果本身具有一定的抗氧化能力，自然界中想要降解它可能需要兩個(gè)月的時(shí)間才會(huì)消失,。 如果是廢棄的棉質(zhì)衣物,，在降解時(shí)間上會(huì)顯得相對(duì)更長(zhǎng)一點(diǎn)。 但畢竟是棉織品,，所以它們被降解一般不會(huì)超過(guò)半年,。 到了工藝制品這塊，比如皮革,、鋁罐,。它們的降解周期將會(huì)非常漫長(zhǎng)。
/ T4 Y+ I# x, h$ s4 v鋁罐與皮革的降解時(shí)間
) k" P3 {4 u) I( j+ D# s5 P; W' x即便是天然皮革材料,，想要降解它也很不容易,，這大概需要50年才能被微生物完全降解。 而鋁罐則需要200年以上,，很大程度上這歸功于它屬于金屬制品,。
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玻璃有哪些特性？到了耐分解的頂端，塑料瓶和玻璃瓶,，由于塑料的化學(xué)鍵十分穩(wěn)定，各項(xiàng)化學(xué)性質(zhì)都非常優(yōu)秀,。 因此一個(gè)塑料瓶想要被分解需要500年的時(shí)間,，但是這和玻璃比起來(lái)根本算不上什么。
! p( G6 m3 G8 \. e* r從時(shí)間上來(lái)看,，玻璃瓶幾乎不能被降解 9 a m4 ^: r: [# V4 T4 ?: K' F
玻璃與其他物品不同,，它的化學(xué)結(jié)構(gòu)比較特殊，而且有著極佳的抗氧化性,。 一個(gè)玻璃瓶需要在自然中降解,，至少需要1000000年，地球上幾乎沒有任何建筑的存在能與玻璃的降解時(shí)間媲美,。 或許有人會(huì)好奇,，為什么玻璃這么耐分解？ 本質(zhì)上這是因?yàn)椴ＡУ淖陨硖匦院突瘜W(xué)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的,，我們先來(lái)簡(jiǎn)單地了解一下玻璃的構(gòu)造,。 它是一種非結(jié)晶的、透明且無(wú)定形固體,。 在凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)中,，無(wú)定形或非晶態(tài)固態(tài)由于缺乏長(zhǎng)程有序性的固體，因而被稱作無(wú)定形,。 但玻璃屬于一種比較特殊的情況,，玻璃本身保持著玻璃化，只要給予高溫,，它又可以回到無(wú)定形狀態(tài),。 從某種角度來(lái)講，可以把玻璃理解成特殊液體,。 2 L7 G. N% H6 h
盡管玻璃的原子結(jié)構(gòu)具有過(guò)冷液體結(jié)構(gòu)的特征,，但玻璃具備固體的所有機(jī)械性能。 由于化學(xué)鍵的限制,，玻璃在局部原子多面體方面具有高度的短程有序性,。 玻璃通過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變得來(lái)，對(duì)于熔體淬火,，如果冷卻速度足夠快,，相對(duì)于特征結(jié)晶時(shí)間來(lái)講，則可以防止物質(zhì)結(jié)晶,。 一般來(lái)講,，玻璃就結(jié)晶形式而言以結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)態(tài)存在。 由于玻璃缺乏一級(jí)相變，所有玻璃有時(shí)也被認(rèn)為是液體,。
8 G7 Q3 |7 d/ K+ X2 p' G1 p熔體淬火在工業(yè)中的應(yīng)用
! \* [4 y% ~2 ]9 a& }( @% y1 a在自然界中,，玻璃的產(chǎn)生通常來(lái)自火山活動(dòng)。 火山噴出的長(zhǎng)英質(zhì)熔巖快速冷卻時(shí)會(huì)形成黑曜石,，這是自然界中常見的玻璃形式,，其本身具備很高含量的二氧化硅。 另外一種則來(lái)自隕石撞擊,，劇烈的撞擊帶來(lái)了猛烈的能量,，由此產(chǎn)生隕石玻璃。 另外雷擊也會(huì)帶來(lái)石英玻璃化砂,，這種特殊的砂子有著中空,、分枝的根狀結(jié)構(gòu)，一般將其稱作閃電巖石,。
1 y# B1 ?% p9 ^7 |火山噴發(fā)形成的黑曜石
8 Z1 Y7 R H# N* F; Q: e, S# h值得一提的是,，玻璃并不是我們想象的那樣屬于現(xiàn)代工藝制品。 嚴(yán)格來(lái)講,，透明玻璃在制造技術(shù)成熟之后才大量出現(xiàn),。 并且在工業(yè)時(shí)代開始后，人類化學(xué)能力的提升帶來(lái)了各種各樣的玻璃制品,。 人類最早使用玻璃可以追溯到公元6000年前,， 考古證據(jù)表明，第一個(gè)真正的合成玻璃在黎巴嫩和敘利亞北部的沿海地區(qū),。 早期的玻璃大多數(shù)來(lái)自自然界,，人類通過(guò)打磨加工制成工具或者工藝品。
6 h5 s0 A9 l0 i2 ^! v' l7 z中世紀(jì)的教堂玻璃
, A% G5 S, \! _9 w- e, ]7 _: h% y后來(lái)人類在中世紀(jì)才逐漸掌握到玻璃的奧秘,，不少輝煌的大教堂中的玻璃窗花則是最好的證明,。 回到之前的話題中，現(xiàn)在我們明白了關(guān)于玻璃的一些簡(jiǎn)單特性和故事,。 下面我們來(lái)聊聊什么情況下玻璃的穩(wěn)定性會(huì)被打破,。
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為何玻璃具備極佳的穩(wěn)定性？要想回答這個(gè)問(wèn)題,，可以直接從玻璃的化學(xué)性質(zhì)上入手,。 簡(jiǎn)單來(lái)講，玻璃的降解在于二氧化硅身上,。 二氧化硅是地球中硅的自然形式,，它通過(guò)與氧氣接觸，并通過(guò)氧化還原作用形成石英等二氧化硅等礦物,。 最終在自然界的風(fēng)化作用以及侵蝕作用下形成沙子,。 而玻璃的制作便是通過(guò)對(duì)二氧化硅進(jìn)行融化重塑，使其物理性狀發(fā)生改變。 造就玻璃化學(xué)性質(zhì)如此穩(wěn)定的原因在于,，它是極易相互反應(yīng)的物質(zhì)之間形成的一種極穩(wěn)定的化合物,。 硅與氧形成化學(xué)鍵，幾乎不與其他任何物質(zhì)形成鍵,。 / _/ i- z6 M5 B& ?. j' s I+ F: v
氧作為一種相對(duì)較輕的元素,，僅次于氫和氦，距填充價(jià)電子只差2個(gè)電子,。 元素周期表的位置關(guān)系表明，氧對(duì)電子具有很高的親和力,。 當(dāng)它獲得兩個(gè)額外的電子時(shí),，它會(huì)處于最穩(wěn)定的形式。 因此氧氣具備很高的電負(fù)性,，同時(shí)氧的化學(xué)性質(zhì)使得它會(huì)迅速與比其自身電負(fù)性小的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),。 氧化還原效應(yīng)的氧化部分正是如此，除了氟以外,，幾乎沒有其他元素能與氧氣的氧化性相媲美,。
0 m- @# n" o: A- W" S. F二氧化硅原子與氧原子
: j& N2 Q& x* _" {- K) t一旦電負(fù)性較小的元素與氧反應(yīng)，由此生成的分子結(jié)構(gòu)會(huì)非常穩(wěn)定,，這需要大量的能量才能使氧氣釋放與之共享的電子,。 比如在鋁熱反應(yīng)中，鐵銹通過(guò)氧化還原,，恢復(fù)成鐵元素,，然后氧氣與鋁形成更穩(wěn)定的鍵。 而硅的形態(tài)很接近金屬,，并屬于非過(guò)渡金屬類,。 和碳一樣，它的價(jià)電子屬于半滿狀態(tài),，所以只要有合適的價(jià)電子補(bǔ)充,，那么硅就會(huì)形成完整的化學(xué)鍵。 兩個(gè)氧原子中的每一個(gè)價(jià)電子都與每個(gè)硅共享兩個(gè)電子,，并且它們相對(duì)靠近自己的原子核,。 相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，硅和氧氣形成的鍵有著極高的共價(jià)性,。 硅氧單鍵比單獨(dú)的硅和氧原子的相互直徑短10%以上,，因此它們之間存在重疊，而不是作為離散離子存在,。 但硅不能與氧形成雙鍵,，反而將自己排列成一個(gè)巨大的大分子。 其中硅原子就通過(guò)強(qiáng)單鍵晶格中的氧原子結(jié)合在一起。 這就導(dǎo)致了像玻璃這樣的材料具有很高的熔點(diǎn),，以及非常強(qiáng)大的內(nèi)聚性,。 5 [9 z- L: Y! Y7 R) \
玻璃中巨大的共價(jià)晶格
$ M; N% ~/ Z8 I1 o在化學(xué)反應(yīng)中，出了氟元素能對(duì)玻璃做出有效反應(yīng)外,，幾乎沒有任何物質(zhì)會(huì)與玻璃反應(yīng),。 氟化合物中，氟與氫鍵形成的酸性化合物,，或者與溴等其他鹵素結(jié)合的化合物是非常強(qiáng)大的一類化合物,。 它們可以輕松地取代化學(xué)鍵中的氧，并破壞其中的電子結(jié)構(gòu),。 例如氫氟酸,，如果將它裝在玻璃瓶中，由于玻璃中的氧化鍵會(huì)被剝奪,。 玻璃的化學(xué)鍵遭到破壞,，最終使玻璃變得不穩(wěn)定。
( v. f" o2 `% R) l+ a大多數(shù)化學(xué)品都用玻璃瓶放置 . y" L& m( W1 |: h' _: k
因而大部分化學(xué)實(shí)驗(yàn)品會(huì)采用玻璃瓶裝填,，而不是塑料或者金屬器具,。 但在自然界中，這種情況很難出現(xiàn),，因此玻璃也會(huì)長(zhǎng)存于自然界中,。 所以，為了環(huán)境著想我們可以試著多回收這些玻璃制品,，而不是簡(jiǎn)單地丟棄它們,。
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發(fā)表于 2022-8-3 10:36:58
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