Głównym substratem stosowanym do produkcji szkła jest krzemionka czyli tlenek krzemu(IV). Temperatura topnienia tej substancji wynosi aż 1723 ^oC, a płynna krzemionka jest lepka i niewygodna do obróbki. Z tego powodu do produkcji szkła wykorzystuje się dodatek węglanu sodu, który może obniżyć temperaturę topnienia krzemionki nawet do 900 ^oC i zmniejsza jej lepkość. Podczas ogrzewania następuje termiczny rozkład węglanu sodu w wyniku czego powstaje dwutlenek węgla i tlenek sodu, który w połączeniu z krzemionką tworzy krzemian sodu.

Na₂O + SiO₂ → Na₂SiO₃

Związek ten jest jednak rozpuszczalny w wodzie, z tego powodu dodaje się węglan wapnia. W wyniku jego termicznego rozkładu powstaje tlenek wapnia, który stabilizuje mieszaninę i sprawia, że jest ona nierozpuszczalna w wodzie. Dodatek kwasu borowego i węglanu litu sprawia, że otrzymane szkło jest bardziej odporne termicznie i mechanicznie (Kolb i Kolb, 1979). Szkło można zabarwić dodając niewielką ilość np.: tlenku kobaltu(II) (ciemnoniebieski), siarczanu(VI) miedzi(II) (niebieski), tlenku chromu(III) (zielony) lub tlenku żelaza(III) (żółty).

W naszym doświadczeniu użyliśmy następującą mieszaninę:

• 10,6 g kwasu borowego,
• 4,2 g węglanu litu,
• 1,8 g węglanu sodu,
• 1,7 g węglanu wapnia,
• 1,0 g piasku kwarcowego,
• Szczyptę bezwodnego siarczanu(VI) miedzi(II).

Mieszanina została opracowana przez A. Lühkena (Lühken, 2010) i wystarcza na ok. 3 doświadczenia.

To wytapiania szkła wykorzystaliśmy zwykłą kuchenkę mikrofalową i technikę GST (niem. Graphit-Suszeptor-Tiegel-Technik) (Arnim Lühken, 2001). Technika ta polega na ogrzewaniu w kuchence tygla umieszczonego w specjalnie to tego celu przygotowanym naczyniu żaroodpornym, np. doniczce. Przed wykonaniem doświadczenia doniczkę porcelanową należy wypełnić żaroodporną zaprawą murarską (np. do kominków). Następnie w zaprawie wykonujemy zagłębienie, w którym docelowo będzie umieszczany tygiel. Dobrze jest przygotować trochę więcej zaprawy, a z nadmiaru uformować podstawkę pod naczynie. Elementy pozostawiamy do wyschnięcia.  Do gotowego naczynia najpierw należy wsypać węgiel granulowany o średnicy 1-4 mm, a następnie wcisnąć do środka tygiel. Węgiel pełni rolę susceptora – czyli substancji, która pochłania promieniowanie w zakresie mikrofal. Napromieniowany w kuchence mikrofalowej węgiel może osiągnąć temperaturę ponad 2000 ^oC. Według badań Mingosa i Baghursta węgiel już w pierwszej minucie osiąga temperaturę 1283 ^oC (Mingos i Baghurst, 1991).

Należy zwrócić uwagę, że nasze naczynie powinno być umieszczony w obszarze kuchenki, w który intensywność promieniowania jest największa tzw. hot-spot. W celu ustalenia położenia hot-spotu można wykorzystać zwilżony papier termoczuły (np. do faksu), zamieszczony na wysokości preparatu (np. na podstawce styropianowej). Hot-spot wskaże nam obszar o najsilniejszym zaczernieniu.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

• Kwas borowy

Literatura:

Arnim Lühken, H. J. (2001). Hochtemperaturchemie im Haushalts-Mikrowellenofen. CHEMKON, 8 (1), strony 7-14. doi:10.1002/ckon.20010080103

Day, ,. M. i Hill, V. J. (1953, December). The Thermal Transformations of the Aluminas and their Hydrates. Journal of Physical Chemistry, 57 (9), strony 946-950. doi:10.1021/j150510a022

Kolb, D. i Kolb, K. E. (1979). The chemistry of glass. Journal of Chemical Education, 56 (9), strony 604-608. doi:10.1021/ed056p604

Lühken, A. (2010). Eksperymenty szkolne w domowej kuchence mikrofalowej. Niedziałki, 79(2), strony 29-38.

Mingos, D. M. i Baghurst, D. R. (1991). Applications of Microwave Dielectric Heating Effects to Synthetic Problems in Chemistry. Chemical Society Reviews, 20(1), strony 1-47.