清末之大科学时代

第6章 知识点(2/2)

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在这之前,他根据材料的化学性质,已经确定了烧制中可能存在的三个问题,即:熔点,气体,着色杂质。

一、熔点。二氧化硅的熔点超过1700度,比钢铁还高,炉温很可能达不到熔点。

二、气体。二氧化硅在高温下本身不产生气体,但别忘了里边还有杂质,不管是铁氧化物还是氯酸盐,高温下都会反应产生气体,很少,但依然会产生小气泡,而且因为太小很难排出(小气泡浮力小)。

三、着色物质。杂质有颜色,想获得透明玻璃,就必须想办法脱色。

……

针对这三个问题,向道做了对应的解决策略。

①熔点。提高炉温难度太大,他干脆换了个方向,选择降低材料熔点。

②气体。向道知道工业生产中会用到澄清剂消除气泡,其原理是增大气泡中的分压,从而使气泡变大并在浮力作用下排出。

(这里的“分压”指在给定温度及体积下,仅一种气体单独存在并充满气泡时,该气体所展现的压强。混合理想气体的总压强等于各组分的分压之和。)

③着色问题,他选择用强氧化剂来脱色。

……

详细方案如下:

降熔点:

加入石碱(碳酸钠)。其在高温下生成氧化钠,又跟二氧化硅反应生成低熔点共晶体硅酸钠Na₂O·nSiO₂(熔点一千度出头)。

此外,氧化钠还会破坏二氧化硅的硅氧四面体结构,原理是:一个Na₂O单位和一个Si-O-Si混合得到两个Si-O⁻Na⁺,会提前打断硅氧共价键,形成端基,这种结构改变能有效降低其熔点。

最后,氧化钠是碱性氧化物,还能防止杂质生成不溶于玻璃熔液的氧化物,提高流动性。

除气泡:

加入砒霜(三氧化二砷)跟硝酸钠。铁氧化物跟氯酸盐在高温下生成的气体都是氧气,而砒霜(三氧化二砷)跟硝酸钠生成五氧化二砷,接着在高温下迅速分解产生大量氧气,从而降低氧气分压,增大气泡,在浮力下上升消除。

脱色:

硝酸钠在高温下有强氧化性,脱色原理是:其在氧化还原反应过程中夺取有色物质分子中的电子,破坏其原有的发色基团或结构,使其失去吸收特定波长光线的能力,从而达到脱色效果。它甚至能直接与色素分子发生化学反应,改变其分子结构,使其失去颜色。

……

总的来说,向道其实只需要三种添加物:砒霜,石碱,硝酸钠。

前两个好说,即使在古代也是常见的东西,唯独硝酸钠,这玩意儿得通过化学反应生成。

幸好所需材料容易获得,要用到硫磺跟硝石,化学反应过程如下:

S + O₂= SO₂(高温)

SO₂+ H₂O⇌ H₂SO₃

2H₂SO₃+ O₂= 2H₂SO₄

H₂SO₄(浓)+ 2KNO₃= K₂SO₄+ 2HNO₃(加热)

Na₂CO₃+ 2HNO₃= 2NaNO₃+ H₂O + CO₂↑

想制取硝酸钠,核心是制硫酸,向道已经提前制作好了工具,操作如下:

把硫磺倒入一个窄口陶罐,胶泥封口,另一个窄口陶罐装水,胶泥封口,空心竹竿(劈开去除结节再捆上)插入连接两个陶罐,这就成了一个简易的气体收集引导装置。

把小灶的火生起来,再把装硫磺的罐子架上去加热,硫磺会在高温下燃烧。

大概半个小时后,燃烧完成,打开泥封,装硫磺的罐子里就只剩下了一层红棕色杂质。

向道又拿起另一端装水的陶罐,反复摇晃几分钟,打开封口,里面的液体清澈如旧。

这就是亚硫酸溶液了,现在需要等它跟氧气反应生成硫酸。这个过程很慢,但向道也没更好的办法,手里啥都没有,他得自己一点一点的把科技树给建立起来。

……

Ps:从这个过程也能看出来,无色透明玻璃的烧制难度极大,看起来只是几样简单配料,背后的原理极其复杂。

但更重要的是,还要控制好各部分配料的比例(这个最难),一旦配料多了或者少了,导致反应不完全就成杂质了。

而比例是要计算的,这就必须对材料微观结构有充分认知,基础前提是元素跟化合物理论的出现。

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