Tại sao thủy tinh luôn trong suốt?

#1 · 14/10/2021, 21:49

Quote from Phan Trọng Đức on 14/10/2021, 21:49

Chúng ta có thể dễ dàng nhận ra là hầu hết các chất lỏng và khí đều trong suốt như nước, dầu ăn, các loại khí…. Còn các chất rắn thì không có đặc tính này. Nguyên nhân là do sự khác biệt cơ bản trong cấu trúc phân tử giữa các chất rắn, lỏng, khí. Khi một chất ở trạng thái rắn, các phân tử của nó được liên kết với nhau rất chặt chẽ khiến cho chúng có đặc tính cơ bản là cứng.

Khi chuyển sang thể lỏng, sức liên kết này giảm và các phân tử bắt đầu tự xếp thẳng hàng một cách ngẫu nhiên. Và ở các chất khí, các liên kết phân tử rất yếu. Mối liên kết giữa các phân tử với nhau gần như hoàn toàn hỗn độn, ngẫu nhiên. Và chính đặc tính này là lý do tại sao ánh sáng có thể truyền qua các lỗ hổng của chất lỏng và chất khí mà không truyền qua được “bức tường” của các phân tử chất rắn xếp ngay ngắn.

Do đó, tùy thuộc vào thể của mỗi chất mà khi ánh sáng chiếu vào sẽ xảy ra các hiện tượng phản xạ, phân tán, hấp thụ hay kết hợp cả ba hiện tượng này. Các phân tử của chất đó càng sắp xếp ngẫu nhiên thì ánh sáng càng đi qua dễ dàng.

Do nắm được đặc điểm này nên quy trình tạo ra thủy tinh - một chất rắn nhưng lại trong suốt được thực hiện như sau:

Người ta thường dùng cát tức Silic điôxít (SiO2) để làm thủy tinh. Họ đun nóng cát đến một nhiệt độ cực cao cho đến khi nó nóng chảy rồi làm lạnh nhanh chóng. Nhiệt độ, thời gian làm nóng và làm mát phải được thực hiện trong một quy trình chính xác.

Trong quá trình đun nóng người ta cho vào đó những chất để làm cho cát nóng chảy nhanh hơn và những chất khiến cho thủy tinh không bị giòn và dễ vỡ, đồng thời quy trình này sẽ làm cho thủy tinh trở thành một chất vô định hình (không phải chất lỏng cũng không phải là chất rắn).

Tức là khi cát nóng chảy, các phân tử của nó sắp xếp ngẫu nhiên và việc làm lạnh nhanh chóng khiến các phân tử bị đông đặc nhưng vẫn giữ lại cấu trúc sắp xếp không theo trật tự ở trạng thái lỏng khiến nó trở nên trong suốt. Do vậy nên mặc dù ở trạng thái rắn, thủy tinh vẫn giữ đặc tính là trong suốt như chất lỏng. Đồng thời, các hạt electron trong thủy tinh không hấp thụ năng lượng của các photon ánh sáng trong quang phổ nhìn thấy được do đó nó trong suốt trong vùng ánh sáng có thể nhìn thấy.

Ngày nay, người ta có thể sử dụng rất nhiều chất khác nhau để tạo ra thủy tinh. Tùy thuộc vào loại chất và độ tinh khiết của mỗi chất làm ra thủy tinh mà lượng ánh sáng cũng như dạng ánh sáng truyền qua sẽ khác nhau.

Chính vì vậy, người ta có thể pha trộn vào quy trình làm thủy tinh những tạp chất khác nhau để thay đổi tính chất của chúng tùy vào mục đích sử dụng nhằm ngăn cản tia cực tím hay các phần của quang phổ ánh sáng nhìn thấy được như để làm kính râm, các loại cửa kính đục, trong mờ….

Đồng thời, người ta cũng có thể thay đổi các thuộc tính của thủy tinh như lọc ra các bước sóng cụ thể của ánh sáng, làm chậm quá trình làm mát đủ để cho phép các phân tử kết tinh không hoàn chỉnh khiến chúng có thể truyền ánh sáng hay khúc xạ ánh sáng theo các mục đích sử dụng khác nhau như làm tròng mắt kính, kính lúp…

Chúng ta có thể dễ dàng nhận ra là hầu hết các chất lỏng và khí đều trong suốt như nước, dầu ăn, các loại khí…. Còn các chất rắn thì không có đặc tính này. Nguyên nhân là do sự khác biệt cơ bản trong cấu trúc phân tử giữa các chất rắn, lỏng, khí. Khi một chất ở trạng thái rắn, các phân tử của nó được liên kết với nhau rất chặt chẽ khiến cho chúng có đặc tính cơ bản là cứng.

Khi chuyển sang thể lỏng, sức liên kết này giảm và các phân tử bắt đầu tự xếp thẳng hàng một cách ngẫu nhiên. Và ở các chất khí, các liên kết phân tử rất yếu. Mối liên kết giữa các phân tử với nhau gần như hoàn toàn hỗn độn, ngẫu nhiên. Và chính đặc tính này là lý do tại sao ánh sáng có thể truyền qua các lỗ hổng của chất lỏng và chất khí mà không truyền qua được “bức tường” của các phân tử chất rắn xếp ngay ngắn.

Do đó, tùy thuộc vào thể của mỗi chất mà khi ánh sáng chiếu vào sẽ xảy ra các hiện tượng phản xạ, phân tán, hấp thụ hay kết hợp cả ba hiện tượng này. Các phân tử của chất đó càng sắp xếp ngẫu nhiên thì ánh sáng càng đi qua dễ dàng.

Do nắm được đặc điểm này nên quy trình tạo ra thủy tinh - một chất rắn nhưng lại trong suốt được thực hiện như sau:

Người ta thường dùng cát tức Silic điôxít (SiO2) để làm thủy tinh. Họ đun nóng cát đến một nhiệt độ cực cao cho đến khi nó nóng chảy rồi làm lạnh nhanh chóng. Nhiệt độ, thời gian làm nóng và làm mát phải được thực hiện trong một quy trình chính xác.

Trong quá trình đun nóng người ta cho vào đó những chất để làm cho cát nóng chảy nhanh hơn và những chất khiến cho thủy tinh không bị giòn và dễ vỡ, đồng thời quy trình này sẽ làm cho thủy tinh trở thành một chất vô định hình (không phải chất lỏng cũng không phải là chất rắn).

Tức là khi cát nóng chảy, các phân tử của nó sắp xếp ngẫu nhiên và việc làm lạnh nhanh chóng khiến các phân tử bị đông đặc nhưng vẫn giữ lại cấu trúc sắp xếp không theo trật tự ở trạng thái lỏng khiến nó trở nên trong suốt. Do vậy nên mặc dù ở trạng thái rắn, thủy tinh vẫn giữ đặc tính là trong suốt như chất lỏng. Đồng thời, các hạt electron trong thủy tinh không hấp thụ năng lượng của các photon ánh sáng trong quang phổ nhìn thấy được do đó nó trong suốt trong vùng ánh sáng có thể nhìn thấy.

Ngày nay, người ta có thể sử dụng rất nhiều chất khác nhau để tạo ra thủy tinh. Tùy thuộc vào loại chất và độ tinh khiết của mỗi chất làm ra thủy tinh mà lượng ánh sáng cũng như dạng ánh sáng truyền qua sẽ khác nhau.

Chính vì vậy, người ta có thể pha trộn vào quy trình làm thủy tinh những tạp chất khác nhau để thay đổi tính chất của chúng tùy vào mục đích sử dụng nhằm ngăn cản tia cực tím hay các phần của quang phổ ánh sáng nhìn thấy được như để làm kính râm, các loại cửa kính đục, trong mờ….

Đồng thời, người ta cũng có thể thay đổi các thuộc tính của thủy tinh như lọc ra các bước sóng cụ thể của ánh sáng, làm chậm quá trình làm mát đủ để cho phép các phân tử kết tinh không hoàn chỉnh khiến chúng có thể truyền ánh sáng hay khúc xạ ánh sáng theo các mục đích sử dụng khác nhau như làm tròng mắt kính, kính lúp…

#2 · 16/10/2021, 09:45

Bài viết của bạn đã cho mình hiểu hơn về cấu tạo hóa học bên trong của thủy tinh, qua đó giúp mình nhìn nhận đúng hơn vì sau thủy tinh lại trong suốt. Cảm ơn bài viết của bạn và mình xin đặt một câu hỏi

Thủy tinh trong suốt có bị ăn mòn hay không?

#3 · 16/10/2021, 12:08

Thuỷ tinh thật sự là một loại vật liệu đẹp và khiến cho mọi đồ dùng trở nên sang trọng hơn. Mình xin giới thiệu 2 loại thuỷ tinh thường gặp và quen thuộc nhất trong mọi gia đình, đặc biệt là các vật liệu gia dụng:

Thứ nhất là thuỷ tinh chịu nhiệt (có chứa hợp chất silic là borosilicate) thường ứng dụng trong các nồi thuỷ tinh, nồi lò vi sóng, các hộp đựng thực phẩm,... có thể chịu nhiệt lên tới 400 độ C và chịu được sốc nhiệt rất tốt.

Thứ 2 là thuỷ tinh trắng (Opal) là vật liệu thuỷ tinh trắng nhưng không kém phần sang trọng và thẩm mĩ được sử dụng làm chén dĩa trong các nhà hàng và các nồi nấu trong lò vi sóng.

Qua đó cho ta thấy được ứng dụng của thuỷ tinh và nhu cầu sử dụng là rất cao và quan trọng.

#4 · 16/10/2021, 12:25

mình xin được bổ sung thêm một video về hiện tượng này là

#5 · 16/10/2021, 13:21

Bài viết này đã cho mình hiểu hơn về thành phần cấu tạo nên thủy tinh và giải thích được tại sao thủy tinh lại trong suốt.

Trong các sản phẩm làm ra từ thủy tinh mình thấy có vài sản phẩm lại có màu sắc, vậy những người nghệ nhân đã làm như thế nào để tạo ra thủy tinh màu ?

#6 · 16/10/2021, 17:35

Theo mình tìm hiểu thì thủy tinh được phát hiện từ thời cổ đại, đến năm 2000 trước Công nguyên mới bắt đầu sản xuất, vậy thì tính ra lịch sử của thủy tinh chắc cũng chẳng kém mấy so với các loại kim loại :))

#7 · 16/10/2021, 20:24

Thuỷ tinh được xem là một vật liệu kỳ diệu vì khả năng chống ăn mòn cao. Không nói đến nước, chứ các loại axit rất mạnh như axit sunfuric, nitric, clohydric, và cả nước cường toan dùng để hoà tan vàng, thuỷ tinh cũng "chấp" hết. Có điều, người ta đã lầm khi nghĩ rằng thuỷ tinh không có đối thủ.

Các nhà khoa học từng cho rằng thủy tinh là bình đựng vạn năng, và đã bỏ vào đó axit flohydric. Không lâu sau, các bình này trở nên mờ đi. Tại sao vậy? Thì ra, axit flohydic có thể tác dụng với silicat, thành phần chủ yếu của vật liệu làm bình. Chính nhờ phản ứng này mà người ta tạo được các dấu chia độ, hoa văn,… trên các bình thuỷ tinh. Axit flohydric tác dụng với silicat theo phản ứng sau:
CaSiO3 + 6 HF = CaF2 + SiF4 + 3 H2O

Do đó, thuỷ tinh bị ăn mòn. Phương pháp khắc, đánh dấu trang trí theo kiểu này được gọi là phương pháp khắc ăn mòn.

Vì bình thuỷ tinh không đựng được axit flohydric, nên người ta phải tìm một vật liệu khác, đó là chì. Nguyên tố này trơ đối với axit flohydric. Ngày nay, chất dẻo được thay thế cho chì để làm bình đựng vì nó khắc phục được tất cả các nhược điểm trên.

#8 · 16/10/2021, 21:06

Quote from Nguyễn Duy Linh on 16/10/2021, 21:06
Người ta thường dùng cát tức Silic điôxít (SiO2) để làm thủy tinh. Họ đun nóng cát đến một nhiệt độ cực cao cho đến khi nó nóng chảy rồi làm lạnh nhanh chóng. Nhiệt độ, thời gian làm nóng và làm mát phải được thực hiện trong một quy trình chính xác.

Trong quá trình đun nóng người ta cho vào đó những chất để làm cho cát nóng chảy nhanh hơn và những chất khiến cho thủy tinh không bị giòn và dễ vỡ, đồng thời quy trình này sẽ làm cho thủy tinh trở thành một chất vô định hình (không phải chất lỏng cũng không phải là chất rắn).

Tức là khi cát nóng chảy, các phân tử của nó sắp xếp ngẫu nhiên và việc làm lạnh nhanh chóng khiến các phân tử bị đông đặc nhưng vẫn giữ lại cấu trúc sắp xếp không theo trật tự ở trạng thái lỏng khiến nó trở nên trong suốt. Do vậy nên mặc dù ở trạng thái rắn, thủy tinh vẫn giữ đặc tính là trong suốt như chất lỏng. Đồng thời, các hạt electron trong thủy tinh không hấp thụ năng lượng của các photon ánh sáng trong quang phổ nhìn thấy được do đó nó trong suốt trong vùng ánh sáng có thể nhìn thấy.

Ngày nay, người ta có thể sử dụng rất nhiều chất khác nhau để tạo ra thủy tinh. Tùy thuộc vào loại chất và độ tinh khiết của mỗi chất làm ra thủy tinh mà lượng ánh sáng cũng như dạng ánh sáng truyền qua sẽ khác nhau.

Chính vì vậy, người ta có thể pha trộn vào quy trình làm thủy tinh những tạp chất khác nhau để thay đổi tính chất của chúng tùy vào mục đích sử dụng nhằm ngăn cản tia cực tím hay các phần của quang phổ ánh sáng nhìn thấy được như để làm kính râm, các loại cửa kính đục, trong mờ….

Đồng thời, người ta cũng có thể thay đổi các thuộc tính của thủy tinh như lọc ra các bước sóng cụ thể của ánh sáng, làm chậm quá trình làm mát đủ để cho phép các phân tử kết tinh không hoàn chỉnh khiến chúng có thể truyền ánh sáng hay khúc xạ ánh sáng theo các mục đích sử dụng khác nhau như làm tròng mắt kính, kính lúp…

Người ta thường dùng cát tức Silic điôxít (SiO2) để làm thủy tinh. Họ đun nóng cát đến một nhiệt độ cực cao cho đến khi nó nóng chảy rồi làm lạnh nhanh chóng. Nhiệt độ, thời gian làm nóng và làm mát phải được thực hiện trong một quy trình chính xác.

Trong quá trình đun nóng người ta cho vào đó những chất để làm cho cát nóng chảy nhanh hơn và những chất khiến cho thủy tinh không bị giòn và dễ vỡ, đồng thời quy trình này sẽ làm cho thủy tinh trở thành một chất vô định hình (không phải chất lỏng cũng không phải là chất rắn).

Tức là khi cát nóng chảy, các phân tử của nó sắp xếp ngẫu nhiên và việc làm lạnh nhanh chóng khiến các phân tử bị đông đặc nhưng vẫn giữ lại cấu trúc sắp xếp không theo trật tự ở trạng thái lỏng khiến nó trở nên trong suốt. Do vậy nên mặc dù ở trạng thái rắn, thủy tinh vẫn giữ đặc tính là trong suốt như chất lỏng. Đồng thời, các hạt electron trong thủy tinh không hấp thụ năng lượng của các photon ánh sáng trong quang phổ nhìn thấy được do đó nó trong suốt trong vùng ánh sáng có thể nhìn thấy.

Ngày nay, người ta có thể sử dụng rất nhiều chất khác nhau để tạo ra thủy tinh. Tùy thuộc vào loại chất và độ tinh khiết của mỗi chất làm ra thủy tinh mà lượng ánh sáng cũng như dạng ánh sáng truyền qua sẽ khác nhau.

Chính vì vậy, người ta có thể pha trộn vào quy trình làm thủy tinh những tạp chất khác nhau để thay đổi tính chất của chúng tùy vào mục đích sử dụng nhằm ngăn cản tia cực tím hay các phần của quang phổ ánh sáng nhìn thấy được như để làm kính râm, các loại cửa kính đục, trong mờ….

Đồng thời, người ta cũng có thể thay đổi các thuộc tính của thủy tinh như lọc ra các bước sóng cụ thể của ánh sáng, làm chậm quá trình làm mát đủ để cho phép các phân tử kết tinh không hoàn chỉnh khiến chúng có thể truyền ánh sáng hay khúc xạ ánh sáng theo các mục đích sử dụng khác nhau như làm tròng mắt kính, kính lúp…

#9 · 30/10/2021, 09:33

mình xin bổ sung vài video

https://youtu.be/QSxPk2IE8yk

https://youtu.be/nCovhuJwuZ4

#10 · 30/10/2021, 16:39

Mình vừa học xong công nghệ chế tạo kính o tô, có nghe thầy nói thủy tinh làm kính luôn trong suất, mình cứ nghĩ thủy tinh khi sản xuất ra sẽ trong suất hết.

Giờ thì mình biết do làm kính o tô thì trong suất, còn phải tùy vào mục đích sản xuất sẽ cho các tạp chất vào để được màu kính như ý.

Cảm ơn bài viết của bạn.

#11 · 02/11/2021, 21:10

Bài viết của bạn đã giúp mình hiểu rõ hơn về cấu tạo và quy trình tạo ra thủy tinh. Cảm ơn bài viết của ban.

#12 · 03/11/2021, 09:21

Quote from Bùi Tuấn on 03/11/2021, 09:21
Tại vì thủy tinh bao gồm 1 nguyên tử Silic và 2 nguyên tử Oxi kết hợp thành và tạo nên phân tử SiO2 (Silic dioxit) mà silic dioxit là 1 thành phần quan trọng của cát trắng ( nguyên liệu làm thủy tinh ) và bên trong thành phần của thủy tinh là cát trắng thì các phân tử liên kết với nhau và bị hạn chế về chuyển động, do đó nếu bề mặt vật liệu không phẳng thì sẽ làm tán xạ tia sáng chiếu đến do đó cát trong suốt , nhưng do tán xạ nhiều quá nên thành ra không trong suốt nổi nhưng trong quá trình nung nấu thủy tinh thì cát trắng cát trắng bị nung chảy,các liên kết sẽ bị phá vỡ và khiến cho phân tử chuyển động tự do giống và tạo thành thủy tinh lỏng tương tự như những vật chất bình thường khác .Và sau khi để thủy tinh lỏng nguội dần thì các liên kết trước đó sẽ ko hình thành lại được, kết quả là các phân tử chỉ di chuyển chậm dần và chậm dần mà thôi và người ta gọi đó là chất rắn vô định hình chính điều này khiến cho các phân tử có khả năng lấp đầy những chỗ trống hoặc nứt trên bề mặt, khiến bề mặt trở niên liền mạch hơn và dẫn đến ít tán xạ hơn hoặc dễ trong suốt hơn. Nhưng điều này vẫn chưa giải thích được tại sao thủy tinh trong suốt. Để giải thích điều đó, ta cần tiến vào cấp độ nguyên tử.Nhưng đã học thì nguyên tử bao gồm hạt nhân và các electron di chuyển xung quanh, nhưng vì kích thước quá bé nên nguyên tử hầu như là rỗng. Để dễ hình dung, nếu nguyên tử được phóng đại kích thước lên bằng vs kích thước của một sân vận động, thì hạt nhân sẽ như hạt đậu nằm ở trung tâm sân vận động, còn electron là các hạt bụi nằm xung quanh khán đài. Quá rỗng nên photon dễ chui qua. Các electron khi gặp photon sẽ hấp thụ photon ánh sáng và dùng năng lượng đó để thực hiện bước nhảy lên các mức năng lượng cao hơn, nhưng phải thỏa một điều kiện. Năng lượng của một photon khi hấp thụ phải vừa đủ thì mới nhảy được, năng lượng mạnh hơn hoặc íu hơn là khỏi nhảy mà cho photon đó đi qua. Lưu ý rằng là năng lượng của 1 photon chứ ko phải là hít nhiều photon cho đến khi đủ thì nhảy đâu nha, hít một cái là nhảy hoặc không nhảy, không có hít nhiều. Và may thay, bên trong thủy tinh, các photon của ánh sáng bình thường không đủ để khiến electron nhảy, do đó photon sẽ đi qua, hay còn gọi là thủy tinh vô hình. Một điều thú vị khác đó là photon của tia UV (tia cực tím) lại vừa đủ để electron trong thủy tinh nhảy. Do đó mà thủy tinh có khả năng lọc tia cực tím từ ánh sáng mặt trời.

-》Nên thủy tinh trong suất.

Tại vì thủy tinh bao gồm 1 nguyên tử Silic và 2 nguyên tử Oxi kết hợp thành và tạo nên phân tử SiO2 (Silic dioxit) mà silic dioxit là 1 thành phần quan trọng của cát trắng ( nguyên liệu làm thủy tinh ) và bên trong thành phần của thủy tinh là cát trắng thì các phân tử liên kết với nhau và bị hạn chế về chuyển động, do đó nếu bề mặt vật liệu không phẳng thì sẽ làm tán xạ tia sáng chiếu đến do đó cát trong suốt , nhưng do tán xạ nhiều quá nên thành ra không trong suốt nổi nhưng trong quá trình nung nấu thủy tinh thì cát trắng cát trắng bị nung chảy,các liên kết sẽ bị phá vỡ và khiến cho phân tử chuyển động tự do giống và tạo thành thủy tinh lỏng tương tự như những vật chất bình thường khác .Và sau khi để thủy tinh lỏng nguội dần thì các liên kết trước đó sẽ ko hình thành lại được, kết quả là các phân tử chỉ di chuyển chậm dần và chậm dần mà thôi và người ta gọi đó là chất rắn vô định hình chính điều này khiến cho các phân tử có khả năng lấp đầy những chỗ trống hoặc nứt trên bề mặt, khiến bề mặt trở niên liền mạch hơn và dẫn đến ít tán xạ hơn hoặc dễ trong suốt hơn. Nhưng điều này vẫn chưa giải thích được tại sao thủy tinh trong suốt. Để giải thích điều đó, ta cần tiến vào cấp độ nguyên tử.Nhưng đã học thì nguyên tử bao gồm hạt nhân và các electron di chuyển xung quanh, nhưng vì kích thước quá bé nên nguyên tử hầu như là rỗng. Để dễ hình dung, nếu nguyên tử được phóng đại kích thước lên bằng vs kích thước của một sân vận động, thì hạt nhân sẽ như hạt đậu nằm ở trung tâm sân vận động, còn electron là các hạt bụi nằm xung quanh khán đài. Quá rỗng nên photon dễ chui qua. Các electron khi gặp photon sẽ hấp thụ photon ánh sáng và dùng năng lượng đó để thực hiện bước nhảy lên các mức năng lượng cao hơn, nhưng phải thỏa một điều kiện. Năng lượng của một photon khi hấp thụ phải vừa đủ thì mới nhảy được, năng lượng mạnh hơn hoặc íu hơn là khỏi nhảy mà cho photon đó đi qua. Lưu ý rằng là năng lượng của 1 photon chứ ko phải là hít nhiều photon cho đến khi đủ thì nhảy đâu nha, hít một cái là nhảy hoặc không nhảy, không có hít nhiều. Và may thay, bên trong thủy tinh, các photon của ánh sáng bình thường không đủ để khiến electron nhảy, do đó photon sẽ đi qua, hay còn gọi là thủy tinh vô hình. Một điều thú vị khác đó là photon của tia UV (tia cực tím) lại vừa đủ để electron trong thủy tinh nhảy. Do đó mà thủy tinh có khả năng lọc tia cực tím từ ánh sáng mặt trời.

-》Nên thủy tinh trong suất.