金属与无机非金属材料 11.2.1 玻璃和水泥

上海交通大学F1001502

5100159030杨柳枝

纲要

1. 背景2. 物理性质3. 化学性质4. 分类5. 补充

玻璃

玻璃

玻璃透明度好，机械强度高，质地均匀，表面光滑

在工农业生产、科学研究中，特别是建筑工业中应用广泛

背景玻璃

玻璃

物理性质a.玻璃是无定形的硅酸盐的混合物 主要成分是二氧化硅（ SiO2 ）

基本结构单元是 SiO2 的四面体

玻璃

存在其他的碱金属

使硅氧四面体组成的网络部分断裂

四面体的排列是杂乱无章的

其中 金属氧化物的含量越高，网络断裂就越严重

CaO 、 MgO 等碱土金属氧化物的加入则可以显著提高玻璃的化学稳定性和增强玻璃的绝缘性

玻璃

b. 玻璃是介于结晶态和无定形态之间的一种物质状态，非晶体，而是玻璃态没有确定的熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化

在软化状态时，玻璃可以吹成或轧成任何形状

玻璃

化学性质a. 制备

原料：砂（二氧化硅）、碳酸钠和碳酸钙

原理：共熔

相关反应：

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 == Na2CaSi6O14+ 2CO2↑

玻璃b. 不耐碱普通玻璃中还有较多的钠盐

用玻璃瓶盛碱性物质会使玻璃瓶因被腐蚀而失去透明度

特别是磨口玻璃瓶以及玻璃活塞是不允许与碱性物质长期接触的，否则，磨口部分就会因被腐蚀而粘住

c. 氢氟酸对玻璃有腐蚀SiO2+6HF==H2SiF6+2H2O ( 制成毛玻璃和工艺品 )

玻璃分类a.钠玻璃（普通玻璃）

主要成分：硅酸钠、硅酸钙

用于制造玻璃瓶、玻璃管、和门窗玻璃

b. 钾玻璃

以钾取代钠玻璃中的钠

熔点较高 较耐化学腐蚀

制造耐高温的化学玻璃仪器，如燃烧管、高温反应器等

玻璃c. 钾 - 铅玻璃 以钾取代钠玻璃中的钠 以铅取代钠玻璃中的钙 高折旋光性 高密度

光学玻璃的原料 用于雕刻艺术的车料玻璃

d. 石英玻璃

SiO2 含量超过 80% （ SiO2 的含量 越高， 越耐高温）

加入一些三氧化二硼 B2O3 降低其热膨胀的倍数

耐高温 可以在 1100-1200℃ 下长期使用

耐骤冷和骤热 耐一般的化学作用

玻璃

e. 有色玻璃 绿色 氧化铜 CuO 、 氧化铬 Cr2O3

蓝色 氧化钴 Co2O3

红色 氧化亚铜 Cu2O

紫色 二氧化锰 MnO2

乳色 氧化锡 SnO2 、 氟化钙 CaF2

黑色、深绿色 Fe2SiO4 （量多为黑色、量少为深绿色）

玻璃

玻璃f.变色玻璃 溴化银（ AgBr 、 AgCl ）

阳光照射时，溴化银分解，银原子聚集 为较大颗粒 玻璃变黑 （深棕色），挡住 80%-90% 光线

强光消失，卤素和银再次化合，玻璃褪色，恢复透光性

g. 玻璃纤维把玻璃拉成细丝 柔软而有弹性制作复合材料的重要原料

玻璃h. 钢化玻璃 在冷却过程中使其表面应力保留下来

玻璃承受外力的时候首先抵消表面应力，提高了承载能力和抗拉能力

优点：强度较普通玻璃提高数倍 提高了安全性

承载能力增大 改变了易碎性质 即使被破坏 也呈无锐角的小碎片对人体伤害的可能性极大地降低了

耐急热急冷性质提高 对防治热炸裂有明显的效果

玻璃

玻璃补充a. 反玻璃化作用

玻璃若长期经高温作用，则会逐步晶化，从玻璃态转化为晶态

这时 玻璃的透明度降低

随晶化程度加大直至完全不透明b.银镜反应

镀层处理得到装饰性玻璃——镀银成镜子、镀金属膜 Ag+

+2NH3——[Ag(NH3)2]+

2 [Ag(NH3)2]++RCHO+2OH- ——RCOONH4+2Ag+3NH3+H2O

水泥

水泥

背景 在建筑施工中，水泥可将各种集料（砂、石）粘接硬化成整块，具有高的机械强度

水泥不仅仅能在空气中凝结硬化，而且能在水中继续硬化并提高强度

水泥物理性质a.水泥是一种水硬性凝胶材料，加水后成为塑形浆体

b. 混合物 使用量最大的是硅酸盐水泥

主要矿物构成：

硅酸三钙（ 3CaO·SiO2 ） 50% 以上

—— 水泥硬度的主要来源

硅酸二钙（ 2CaO·SiO2 ） 约 20%

——保证水泥的后期强度

铝酸三钙 （ 3CaO·Al2O3 ） 7%-15%

铁铝酸四钙 （ 4CaO·Al2O3·Fe2O3 ） 10%-18%

水泥

化学性质a. 制备原料：石灰石和黏土

设备：水泥回转窑

原理：煅烧 磨细

CaCO3 受热分解成 CaO 和 CO2 ，黏土中含有SiO2 、 Al2O3 、 Fe2O3 ，高温下反应成块状水泥熟料，熟料和石膏（ CaSO4·2H2O ）等磨细成粉状物，即为水泥

水泥b. 水泥的硬化第一阶段：水泥浆变成非流动性，并丧失可塑性，此阶段尚不具有强度

第二阶段：理论众说纷谈

其一： 3CaO·Al2O3+2H2O==2CaO·SiO2·H2O+Ca(OH)2

2CaO·SiO2+H2O==2CaO·SiO2·H2O

3CaO·Al2O3+6H2O==3CaO·Al2O3·6H2O

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O==

3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

水泥水化硅酸二钙在水中不溶解

氢氧化钙溶解饱和后析出胶体

使水化硅酸二钙和水化铝酸三钙变为凝胶状胶体

胶体赋予了水泥一定的黏性，使水泥具有可塑性

与水作用时，由于凝胶中含水量大，水泥机械强度不大

一段时候后，水会被颗粒内部逐渐吸收而水化

水泥补充

铝酸三钙 3CaO·Al2O3 和硅酸三钙 3CaO·SiO2 的反应速率最大

前者含量多——快速硬化的钙铝水泥

后者含量多——高级的硅酸盐水泥

a. 与水作用

为了调节凝结速度 常常添加石膏

石膏（ CaSO4·2H2O ）和铝酸三钙 3CaO·Al2O3 反应生成铝硫酸钙，减少了铝酸三钙 的作用，使凝结迟慢，拖延硬化时间

水泥b. 水化放热问题水泥水化放热的大小、速率和水泥的组成，细度等有关系

在建造水坝、桥墩的的时候，由于水化热在内部不容易散去，产生因为内外温差引起的内应力，使水泥混凝土产生裂缝，引起事故

采用掺入水化热较低的硅酸盐矿渣来避免问题

c.钢筋混凝土结构将水泥、砂、碎石按一定的比例混合，以钢筋为骨架

广泛运用于建筑材料

玻璃和水泥

思考题

1.简单论述 变色玻璃改变颜色的原理

2.简单表述 钢化玻璃的特点、优点

3.列举水泥的主要成分，并写出其水解方程式

玻璃和水泥

谢谢参考资料

1.《从化学的角度看世界》，化学工业出版社， 2005.10

2.《物质结构与性质》，江苏教育出版社

3.图片来源： www.baidu.com

玻璃和水泥