Химия и Химики № 3 2010. Батавские слезки (небьющееся стекло). Prince Rupert's Drop

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Стеклодувная горелка. Burner for Glass Blowing (Glass Blowing Torch)

В химической лаборатории часто приходится работать со стеклянной посудой и оборудованием. Использование стекла дает химику много преимуществ, но этот материал имеет и существенные недостатки. Один из основных недостатков состоит в том, что стекло легко бьется. Достаточно уронить колбу или стакан, задеть носиком пипетки край стола или надавить на стеклянную палочку - и придется собирать осколки. Можно еще и порезаться.

А нельзя ли сделать так, чтобы стекло стало небьющимся? Причем не какое-то особенное стекло со специальным химическим составом, а самое обыкновенное. Такой способ есть. Для этого нам понадобятся стеклянная палочка, стеклодувная горелка и широкий стакан с водой. Для работ со стеклом используют специальную стеклодувную горелку. Принцип работы такой горелки очень простой: для достижения высокой температуры в пламя одновременно подается горючий газ и воздух. Газ поступает из бытовой сети или пропан-бутанового баллона. Для подачи воздуха служит компрессор. Используют также горелки, работающие на керосине (или другом жидком топливе).

Получить горячее пламя можно и более простым способом. В пламя газовой горелки, спиртовки или сухого спирта вдувают сбоку воздух. Для этого пользуются пипеткой или тонкой трубкой. К сожалению, в нашем случае этот вариант не подойдет - описанным способом можно нагреть лишь небольшие предметы.

Паяльная трубка

Итак, наберем в стакан воды, поставим его под горелку и включим подачу газа. Подожжем горелку. Сразу же появится желтое коптящее пламя. Откроем подачу воздуха (компрессор мы включили заранее). По мере увеличения подачи воздуха пламя станет желто-синим, потом синим. Если мы дадим воздуха слишком много, горелка погаснет. В этом случае придется перекрыть подачу газа и воздуха и повторить все заново [1].

__________________________________________________
¹ Можно, правда, уменьшить подачу воздуха и попробовать поджечь горелку, но это опасно.

Watch the video / Смотреть Видео (22 Мб, .avi )
Старый вариант - смотреть (13 Мб, .avi )

Если включить подачу воздуха и уменьшить подачу газа, пламя станет синим и значительно сузится

Работа со стеклом - сгибание стеклянной палочки
Working with Glass. Glass Rod Bending

Итак, у нас образовалось синее горячее пламя. Чтобы получить представление о свойствах стекла, внесем в пламя стеклянную палочку. Возьмите палочку с обоих концов левой и правой рукой и начните ее медленно вращать (для того, чтобы нагрев был равномерным). Теперь внесите средину палочки во внешнюю (дальнюю) часть пламени. Понемногу введите стекло во внутреннюю горячую область. Стекло будет постепенно размякать, а пламя засветится желтым - такой цвет придают ему атомы натрия, который содержится в стекле. Скоро палочку можно будет согнуть или разделить на две половинки.

В отличие от кристаллических веществ, стекло не имеет четкой температуры плавления - при нагревании оно постепенно становится мягким, потом - текучим, а при охлаждении расплав стекла медленно застывает. Фактически стекло представляет собой переохлажденную жидкость. От таких жидкостей как вода стекло отличается только значительно более высокой вязкостью.

Watch the video / Смотреть Видео (Glass Rod Bending) (30 Мб, .avi ) Watch the video / Смотреть Видео (Glass Rod Melting) (28 Мб, .avi )
Старый вариант: Сгибание стеклянной палочки (19 Мб, .avi ) Разделение стеклянной палочки на две части (18 Мб, .avi )

Батавские слезки (небьющееся стекло)
Prince Rupert's Drop (Dutch Tears)

Возьмите одну из половинок палочки и сильно нагрейте ее кончик. Кончик палочки станет красным, а потом желтым, на нем будет собираться капелька, которая будет постепенно отделяться. Наша задача, чтобы эта капля упала в стакан с водой, не успев остыть снизу (такое может произойти, если мы будем греть только "перемычку"). Капля с шипением застынет в воде, при этом у нее образуется длинный "хвостик". Если стекло было не достаточно горячим, капля может сразу же растрескаться на мелкие кусочки. Чтобы этого не произошло, капельку нужно греть сильно и равномерно.

Теперь достанем застывшие капельки стекла, положим на твердую поверхность и ударим по ним молотком. Капельки останутся целыми. Возьмите капельку в руку и надломите пинцетом хвостик (у основания). Капелька рассыплется или даже взорвется, при этом во все стороны полетят мелкие кусочки стекла (берегите глаза! работать только в защитных очках!) Если стекло нагреть до сильного разжижения и вылить его тонкой струйкой в воду, то получатся не капли, а "змейки" с аналогичными свойствами.

Такие капли называются "батавские слезки". Как объяснить их странное поведение? Дело в том, что при быстром охлаждении внешние слои стекла быстро застывают и становятся достаточно твердыми. Такой процесс называется закалка. Когда внешние слои затвердевают, они оказывают сильное давление на внутренние слои. Капля напоминает сжатую пружинку, которая только и ждет, чтобы ее высвободили. Стоит надломить хвостик - и капля разлетится. Разрыв капли происходит также, если надпилить толстую часть до определенной глубины или растворить хвостик в плавиковой кислоте.

Резкое охлаждение расплава или раскаленного твердого тела путем отпускания их в жидкость называется закалкой. Многие слышали о закалке стали. При закалке стали протекают совсем иные процессы, чем при закалке стекла, но сама процедура схожа. Закаленная сталь значительно более твердая, но и более хрупкая по сравнению с обычной.

Если батавские слезки осторожно нагреть, внутренние напряжения постепенно снимутся и капелька потеряет способность взрываться. Такой процесс называется отжигом. Отжиг является важной операцией при работе со стеклом, поскольку локальные внутренние напряжения очень сильно уменьшают прочность изделий (особенно - изделий сложной формы).

Watch the video / Смотреть Видео (76 Мб, .avi )
Старый вариант - смотреть. Батавские слезки - получение (24 Мб, .avi ) Смотреть. Батавские слезки - испытание (17 Мб, .avi )

Если надломить хвостик (руками или плоскогубцами) капельки взрываются или рассыпаются на мелкие кусочки

Если закаленную сталь нагреть, а потом медленно охладить, она становится более мягкой, но и более пластичной. Такой процесс называют отпуском (от слова "отпустить") или отжигом. Как видите, частичная аналогия со стеклом прослеживается и тут.

Читатель скажет: капелька - это хорошо, но можно ли аналогичным способом сделать небьющийся стакан, колбу, пробирку? Конечно, да. Стакан из закаленного стекла вполне выдерживает удар об асфальт. Но работать с таким стаканом вы вряд ли бы захотели - стоит появиться маленькому повреждению (например, царапине) - и стакан взорвется. Раньше были известны так называемые "болонские склянки" - круглые толстостенные сосуды, которые получали быстрым охлаждением стекла на воздухе. Они отличались высокой стойкостью к ударам, но при царапинах разлетались аналогично батавским слезкам.

Бывают случаи, когда применение закаленного стекла просто необходимо. Например, лобовые стекла автомобилей. При ударе обыкновенное стекло разлетается на крупные куски, которые могут причинить серьезные травмы (падение больших кусков стекла может вызывать эффект гильотины). В случае аварии лобовое стекло автомобиля должно рассыпаться на небольшие кусочки, именно поэтому лобовые стекла подвергают поверхностной закалке. Такое стекло довольно твердое и выдерживает несильные удары, но в случае аварии оно разлетается на мелкие кусочки, сравнительно безопасное для водителя и пассажиров.