本帖最后由 twq19810302 于 2022-8-3 10:38 编辑 - ^4 J, W% m# M; ?$ \
( R# |' q: M- A6 T6 |( V* y自然界中的降解玻璃作为日常生活中再常见不过的物品，从玻璃被制造出的那天起，这种神奇的物品极大地方便了人们的生活。 同样在建筑学中，玻璃也有十分优秀的创造性。 不过在玻璃的使用中，由于它的质地很脆，一个不小心，可能玻璃就碎了。 破裂的碎片不仅可以给人造成划伤，并且进行垃圾回收时也很不方便。 $ P) ^ Q# H& M) J0 f5 ~; J7 B
现代社会常常在讲塑料制品的危害，但很多时候我们都忽略了玻璃制品给环境带来的影响。 一个听着让人难以置信的例子便在于，生产玻璃要比生产塑料造成的环境破坏更大。 无论是玻璃的原料开采环节，还是玻璃的生产环节，玻璃的制造通常伴随着大量的环境污染。 同时因为制造玻璃需要很高的热量，因此在制造过程中，工厂释放的二氧化碳和有毒有害气体便成为了一大污染源。 % }* t& d- T8 t1 `, c
玻璃生产需要高温
9 W& e" L" e C9 ~ V另外在运输环节中，同等运输量的物品到了玻璃制品这儿，比如玻璃瓶装水。 同样是100升的液体，如果要用玻璃瓶进行运输，那么就不得不考虑玻璃瓶自身的重量所带来的运输成本问题，同时还要考虑运输过程中的损坏。 到了最后的回收流程中，如今全球绝大多数国家都没有完全做到将玻璃瓶或者玻璃制品有效回收。 不管是普通的玻璃瓶还是可回收玻璃，自然界无形中存在着许多废弃玻璃瓶。 , y3 ]5 C) t7 `# k( {* }
生活中有许多废弃玻璃瓶 7 U' H& g( h, ]# W
尽管与塑料相比，玻璃瓶被丢弃在自然中不会对环境造成太多破坏，但是它也会带来很多不利的影响。 放置在自然环境中的玻璃很难被降解，我们可以来做一个简单地对比。 生活中最常见的纸巾，我们随时都在使用，它的原材料主要是木浆和纤维。 自然环境中想要进行降解非常简单，大概只需要2~4周就能完全被降解，甚至某些蔬菜或瓜果都比它能放。 例如水果中的苹果，在食用完苹果之后，通常苹果核会被丢弃。 由于苹果本身具有一定的抗氧化能力，自然界中想要降解它可能需要两个月的时间才会消失。 如果是废弃的棉质衣物，在降解时间上会显得相对更长一点。 但毕竟是棉织品，所以它们被降解一般不会超过半年。 到了工艺制品这块，比如皮革、铝罐。它们的降解周期将会非常漫长。
) k# A3 ?2 Z a% q铝罐与皮革的降解时间 A* t6 d! W7 D
即便是天然皮革材料，想要降解它也很不容易，这大概需要50年才能被微生物完全降解。 而铝罐则需要200年以上，很大程度上这归功于它属于金属制品。 8 o7 g# z$ f/ f1 n
玻璃有哪些特性？到了耐分解的顶端，塑料瓶和玻璃瓶，由于塑料的化学键十分稳定，各项化学性质都非常优秀。 因此一个塑料瓶想要被分解需要500年的时间，但是这和玻璃比起来根本算不上什么。 : Z3 e7 S, H: Y7 P
从时间上来看，玻璃瓶几乎不能被降解
5 P5 b) q5 _5 h0 m5 [, Q$ p5 m玻璃与其他物品不同，它的化学结构比较特殊，而且有着极佳的抗氧化性。 一个玻璃瓶需要在自然中降解，至少需要1000000年，地球上几乎没有任何建筑的存在能与玻璃的降解时间媲美。 或许有人会好奇，为什么玻璃这么耐分解？ 本质上这是因为玻璃的自身特性和化学结构所带来的，我们先来简单地了解一下玻璃的构造。 它是一种非结晶的、透明且无定形固体。 在凝聚态物理和材料科学中，无定形或非晶态固态由于缺乏长程有序性的固体，因而被称作无定形。 但玻璃属于一种比较特殊的情况，玻璃本身保持着玻璃化，只要给予高温，它又可以回到无定形状态。 从某种角度来讲，可以把玻璃理解成特殊液体。
3 R4 R! x4 ^- w( Q6 N尽管玻璃的原子结构具有过冷液体结构的特征，但玻璃具备固体的所有机械性能。 由于化学键的限制，玻璃在局部原子多面体方面具有高度的短程有序性。 玻璃通过玻璃化转变得来，对于熔体淬火，如果冷却速度足够快，相对于特征结晶时间来讲，则可以防止物质结晶。 一般来讲，玻璃就结晶形式而言以结构亚稳态存在。 由于玻璃缺乏一级相变，所有玻璃有时也被认为是液体。
. e' A' K0 l7 b$ M; b$ R8 {熔体淬火在工业中的应用 3 D7 W& D' n* U9 U' q, ^3 N% Q. a
在自然界中，玻璃的产生通常来自火山活动。 火山喷出的长英质熔岩快速冷却时会形成黑曜石，这是自然界中常见的玻璃形式，其本身具备很高含量的二氧化硅。 另外一种则来自陨石撞击，剧烈的撞击带来了猛烈的能量，由此产生陨石玻璃。 另外雷击也会带来石英玻璃化砂，这种特殊的砂子有着中空、分枝的根状结构，一般将其称作闪电岩石。 7 }2 x/ A! \0 e
火山喷发形成的黑曜石 : C" Q7 k- U* M4 C1 w
值得一提的是，玻璃并不是我们想象的那样属于现代工艺制品。 严格来讲，透明玻璃在制造技术成熟之后才大量出现。 并且在工业时代开始后，人类化学能力的提升带来了各种各样的玻璃制品。 人类最早使用玻璃可以追溯到公元6000年前， 考古证据表明，第一个真正的合成玻璃在黎巴嫩和叙利亚北部的沿海地区。 早期的玻璃大多数来自自然界，人类通过打磨加工制成工具或者工艺品。
0 z) L- G7 {* S5 i" j% T( l+ o: ?/ Z中世纪的教堂玻璃
5 h$ ]# p z1 [# Z5 F- C) I8 w后来人类在中世纪才逐渐掌握到玻璃的奥秘，不少辉煌的大教堂中的玻璃窗花则是最好的证明。 回到之前的话题中，现在我们明白了关于玻璃的一些简单特性和故事。 下面我们来聊聊什么情况下玻璃的稳定性会被打破。 ) R* n* A% t& X' l6 A& }
为何玻璃具备极佳的稳定性？要想回答这个问题，可以直接从玻璃的化学性质上入手。 简单来讲，玻璃的降解在于二氧化硅身上。 二氧化硅是地球中硅的自然形式，它通过与氧气接触，并通过氧化还原作用形成石英等二氧化硅等矿物。 最终在自然界的风化作用以及侵蚀作用下形成沙子。 而玻璃的制作便是通过对二氧化硅进行融化重塑，使其物理性状发生改变。 造就玻璃化学性质如此稳定的原因在于，它是极易相互反应的物质之间形成的一种极稳定的化合物。 硅与氧形成化学键，几乎不与其他任何物质形成键。 , w- s' m( k+ `2 x
氧作为一种相对较轻的元素，仅次于氢和氦，距填充价电子只差2个电子。 元素周期表的位置关系表明，氧对电子具有很高的亲和力。 当它获得两个额外的电子时，它会处于最稳定的形式。 因此氧气具备很高的电负性，同时氧的化学性质使得它会迅速与比其自身电负性小的物质发生反应。 氧化还原效应的氧化部分正是如此，除了氟以外，几乎没有其他元素能与氧气的氧化性相媲美。 ; O" A0 h& O) @' u% A
二氧化硅原子与氧原子
( W+ Z8 ?, M% F一旦电负性较小的元素与氧反应，由此生成的分子结构会非常稳定，这需要大量的能量才能使氧气释放与之共享的电子。 比如在铝热反应中，铁锈通过氧化还原，恢复成铁元素，然后氧气与铝形成更稳定的键。 而硅的形态很接近金属，并属于非过渡金属类。 和碳一样，它的价电子属于半满状态，所以只要有合适的价电子补充，那么硅就会形成完整的化学键。 两个氧原子中的每一个价电子都与每个硅共享两个电子，并且它们相对靠近自己的原子核。 相关实验证明，硅和氧气形成的键有着极高的共价性。 硅氧单键比单独的硅和氧原子的相互直径短10%以上，因此它们之间存在重叠，而不是作为离散离子存在。 但硅不能与氧形成双键，反而将自己排列成一个巨大的大分子。 其中硅原子就通过强单键晶格中的氧原子结合在一起。 这就导致了像玻璃这样的材料具有很高的熔点，以及非常强大的内聚性。
4 r9 K9 V: U' _) t' u0 [& X8 t; Y玻璃中巨大的共价晶格 8 g: M2 A7 h9 W; L* X( S
在化学反应中，出了氟元素能对玻璃做出有效反应外，几乎没有任何物质会与玻璃反应。 氟化合物中，氟与氢键形成的酸性化合物，或者与溴等其他卤素结合的化合物是非常强大的一类化合物。 它们可以轻松地取代化学键中的氧，并破坏其中的电子结构。 例如氢氟酸，如果将它装在玻璃瓶中，由于玻璃中的氧化键会被剥夺。 玻璃的化学键遭到破坏，最终使玻璃变得不稳定。 : K/ K& J# `% k+ A* w
大多数化学品都用玻璃瓶放置
! g# c6 z: `6 I因而大部分化学实验品会采用玻璃瓶装填，而不是塑料或者金属器具。 但在自然界中，这种情况很难出现，因此玻璃也会长存于自然界中。 所以，为了环境着想我们可以试着多回收这些玻璃制品，而不是简单地丢弃它们。 % z: }/ U) P2 {% ~# M- E1 S
| 
发表于 2022-8-3 10:36:58
