من المختبر إلى الحياة: تعلم خصائص زجاج الكوارتز وزجاج البورسليكات

مقدمة

تحتل المواد الزجاجية مكانة محورية في حياتنا اليومية وفي المختبرات. فهي تدخل في المعدات والآلات التي نستخدمها يوميًا. كما أنها أساسية في مختبرات الأبحاث والصناعات من أجل الدقة والسلامة. يحتل زجاج الكوارتز وزجاج البورسليكات مواقع محورية في العلوم والصناعة والتكنولوجيا. ويتم اختيارهما بسبب خصائصهما الفريدة من نوعها.

ما هو زجاج الكوارتز؟

يتكون زجاجالكوارتزبشكل أساسي من ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂). وهو موجود في شكلين: الكوارتز الطبيعي والكوارتز الصناعي. يتكون الكوارتز الطبيعي في الأرض على مدى آلاف السنين. ويتم إنتاج الكوارتز الاصطناعي في ظروف خاضعة للرقابة للحصول على درجة نقاء عالية.

زجاج الكوارتز نقي جداً وشفاف جداً. وهو شفاف، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات البصرية. وهو مستقر حراريًا للغاية. يجلب الاستقرار الحراري الحد الأدنى من التغيير في بنيته. زجاج الكوارتز ذو تمدد حراري منخفض. لا يغير شكله حتى عند تسخينه وتبريده بشكل متكرر. زجاج الكوارتز شديد الصلابة ومقاوم للمواد الكيميائية. تثبت هذه الخصائص ملاءمتها في البيئات القاسية والعمليات ذات درجات الحرارة العالية.

وعادةً ما يُستخدم زجاج الكوارتز في الأماكن التي قد تؤثر فيها أي ملوثات على القياسات الدقيقة. الوضوح البصري ضروري في معظم الأجهزة العلمية والتطبيقات عالية التقنية. وتتوفر مكونات بصرية متخصصة للتحليل الطيفي والأفران ذات درجات الحرارة العالية لاستخدامها في المختبرات التي تستخدم زجاج الكوارتز.

ما هو زجاج البورسليكات؟

يُصنع زجاج البورسليكات من خلال الجمع بين ثاني أكسيد السيليكون وأكسيد البورون (B₂O₃) وبعض الأكاسيد الثانوية. قد تختلف الصيغة الدقيقة من شركة إلى أخرى. أصبح هذا النوع من الزجاج شائعًا من خلال منتجات مثل Pyrex، التي كانت موجودة منذ عدة عقود.

ويمنح إدخال أكسيد البورون هذا الزجاج خصائصه الفريدة. يتميز زجاج البورسليكات بمقاومة أكبر للصدمات الحرارية. فهو يتحمل التغيرات المفاجئة في درجة الحرارة دون أن ينكسر. مقاومته الكيميائية معتدلة ويتقبل معظم المواد الكيميائية المختبرية. تمدده الحراري أقل من زجاج الجير الصودا المعتاد. وهذا لا يشجع على الكسر عندما يبرد الزجاج أو يسخن بسرعة. كما أن زجاج البورسليكات قوي ميكانيكيًا، مما يجعله يتحمل الاستخدامات اليومية مثل الطهي وتخزين المواد الكيميائية.

يُستخدم هذا الزجاج عادةً في المنتجات التي تحتاج إلى كل من القوة والمقاومة الحرارية. ويوجد في أكواب المختبرات والقوارير والمكثفات. كما أن خصائصه تجعله يستخدم كثيرًا في أواني الطهي في المنازل.

الاختلافات بين زجاج الكوارتز وزجاج البورسليكات

يتسم الزجاجان بخصائص مختلفة. وفيما يلي ملخص للاختلافات بينهما:

الخواص الحرارية:

- يلين زجاج الكوارتز ويذوب في درجات حرارة عالية للغاية. خصائصه المنخفضة في التمدد الحراري تجعله مفيدًا للغاية في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.

- أما زجاج البورسليكات فدرجة انصهاره أقل من الكوارتز، ومقاومته للصدمات الحرارية ميزة رئيسية للاستخدام في المختبرات والأغراض العامة.

الخواص الميكانيكية:

- زجاج الكوارتز شديد الصلابة. كما أنه هش. سوف ينكسر عند الاصطدام.

- زجاج البورسليكات أقل قابلية للكسر. يتمتع بقوة ميكانيكية جيدة ويمكنه تحمل بعض الصدمات بشكل أفضل.

المتانة الكيميائية:

- زجاج الكوارتز مقاوم لمعظم المواد الكيميائية مثل الأحماض والقواعد.

- ويتمتع زجاج البورسليكات بمقاومة كيميائية معتدلة، وهي كافية لمعظم التطبيقات المختبرية ولكن مع مرور الوقت سوف يتكسر بسبب الأحماض والقواعد القوية.

الخواص البصرية:

- يتميز زجاج الكوارتز بشفافية جيدة ونفاذية جيدة للأشعة فوق البنفسجية.

- زجاج البورسليكات شفاف أيضًا ولكن يمكن أن يكون له اختلافات طفيفة في انتقال الأشعة فوق البنفسجية اعتمادًا على المواد المضافة في تركيبته.

تطبيقات المختبرات

يستخدم زجاج الكوارتز في المختبرات لأنه مستقر في درجات الحرارة العالية ونقي. يستخدم العلماء مكونات الكوارتز في الأفران ذات درجات الحرارة العالية. كما أن حالته المستقرة والشفافة تفضل الأدوات البصرية. تستخدم بعض أجهزة التحليل الطيفي زجاج الكوارتز نظرًا لدقته.

زجاج البورسليكات موجود في كل مكان في معظم معدات المختبرات. تُصنع الأكواب والقوارير والمكثفات من زجاج البورسليكات. مقاومته للصدمات الحرارية مانع للحوادث عند حدوث تغير سريع في درجة الحرارة. وتستفيد معدات المعالجة الكيميائية أيضًا من مقاومته للتآكل والتلف. يستخدم الزجاجان في وظائف معملية مختلفة. يستخدم زجاج الكوارتز للأغراض التي تتطلب درجة نقاء وثبات عالية جدًا. زجاج البورسليكات مناسب للتطبيقات المعملية اليومية والمعالجة الكيميائية العامة.

الاستخدامات الصناعية والعادية

يجد زجاج الكوارتز تطبيقات في الاستخدامات الحديثة في المعدات اليومية والصناعات عالية التقنية. ويوجد في الألياف البصرية حيث تكون هناك حاجة إلى الدقة والشفافية. كما يعتمد تصنيع الإلكترونيات وأشباه الموصلات على زجاج الكوارتز. كما تُستخدم بلورات الكوارتز في صناعة الساعات في صناعة الساعات الدقيقة للساعات.

زجاج البورسليكات معروف على نطاق واسع في المنازل والصناعات. يمكن أن تتحمل أواني الطهي المصنوعة من زجاج البورسليكات الحرارة. تُصنع منتجات المختبرات الشائعة في المدارس من هذه المادة. وكثيرًا ما تصنع مكونات الإضاءة من زجاج البورسليكات بسبب مقاومته للصدمات الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، فإن قوارير تخزين المواد الكيميائية المصنوعة من زجاج البورسليكات موثوقة ومتينة.

يعتمد الاختيار بين هذه الأنواع من الزجاج على التكلفة والصلابة واحتياجات الأداء. يتميز زجاج الكوارتز بنقاء كيميائي أكبر ومقاومة شديدة للحرارة. يحقق زجاج البورسليكات التوازن بين التكلفة والأداء للاستخدام المنزلي والتجاري.

تجارب عملية لمراقبة الخصائص

تساعد التجارب البسيطة على فهم هذه النظارات بشكل أفضل. يمكن إجراء التجارب التالية في المختبر المنزلي أو المدرسي.

تجربة مقاومة الحرارة:

ضع بعض زجاج الكوارتز وزجاج البورسليكات في مصادر منفصلة للحرارة. لاحظ كيف يتعاملان مع التغيرات في درجة الحرارة. يجب أن يتحمل زجاج الكوارتز الحرارة الشديدة ولا يفقد شكله. زجاج البورسليكات قادر على التعامل مع التغير المفاجئ بشكل جيد.

ملاحظة الشفافية ومعامل الانكسار

يجب إضاءة كلا النوعين من الزجاج بمصدر ضوء. وينبغي ملاحظة طريقة انكسار الضوء خلال كلتا المادتين. زجاج الكوارتز يتمتع عمومًا بانكسار واضح وثابت. زجاج البورسليكات شفاف ولكن قد تظهر عليه اختلافات دقيقة.

أضف قطرة من حمض أو قاعدة خفيفة إلى كل عينة. اتركها لفترة قصيرة ثم اشطف الزجاج بالماء. يتأثر زجاج الكوارتز بالكاد بسبب مقاومته العالية. من المحتمل أن يُظهر زجاج البورسليكات تفاعلات طفيفة، مما يدل على مقاومته المنخفضة.

توضح هذه الاختبارات كيف يعمل كل نوع من الزجاج تحت الضغط. وتوضح سبب اختيار أنواع معينة لاستخدامات معينة. يوضح الاختبار البسيط الاختلافات في ثبات الحرارة، ونقل الضوء، والمقاومة الكيميائية.

الخلاصة

يتميز كل من زجاج الكوارتز وزجاج البورسليكات بخصائص خاصة مناسبة للاستخدامات المختلفة. يتفوق زجاج الكوارتز في النقاء، والاستقرار الحراري، والتمدد الحراري المنخفض. ويستخدم بشكل أكثر ملاءمة في إعدادات درجات الحرارة العالية والدقة العالية في المختبرات والصناعات. ويتميز زجاج البورسليكات بمقاومة أفضل للصدمات الحرارية، وثبات كيميائي معتدل، وقوة ميكانيكية جيدة. ويستخدم على نطاق واسع في معدات المختبرات وأواني الطهي والمكونات الصناعية. لمزيد من المعلومات وتجارب STEM، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: لماذا يعتبر زجاج الكوارتز مناسب لدرجات الحرارة العالية؟

س: نقاوته وثباته الحراري يسمحان له بمقاومة التغيرات الشديدة في درجات الحرارة بأقل قدر من التمدد.

و: لماذا زجاج البورسليكات شائع في أواني الطهي؟

س: تسمح صلابته ومقاومته العالية للصدمات الحرارية بأن يكون آمنًا للاستخدام مع الطهي وصب السوائل الساخنة.

س: كيف يختلف زجاج الكوارتز وزجاج البورسليكات في المقاومة الكيميائية؟

س: يتمتَّع زجاج الكوارتز بمقاومة كيميائية أعلى، بينما يتمتَّع زجاج البورسليكات بمقاومة معتدلة.