Dal laboratorio alla vita: Imparare le proprietà del quarzo e del vetro borosilicato

Introduzione

I materiali in vetro sono al centro della nostra vita quotidiana e dei nostri laboratori. Sono presenti nelle apparecchiature e nei macchinari che utilizziamo quotidianamente e sono fondamentali nei laboratori di ricerca e nelle industrie per la precisione e la sicurezza. Il vetro al quarzo e il vetro borosilicato occupano posizioni centrali nella scienza, nell'industria e nella tecnologia. Vengono scelti per le loro proprietà uniche.

Che cos'è il vetro di quarzo?

Il vetrodi quarzoè costituito principalmente da biossido di silicio (SiO₂). Esiste in due forme: quarzo naturale e quarzo sintetico. Il quarzo naturale si forma nella terra nel corso di migliaia di anni. Il quarzo sintetico è prodotto in condizioni controllate per ottenere un'elevata purezza.

Il vetro di quarzo è molto puro e molto trasparente. La sua trasparenza lo rende perfetto per le applicazioni ottiche. È molto stabile termicamente. La stabilità termica comporta un'alterazione minima della sua struttura. Il vetro di quarzo ha una bassa espansione termica. Non cambia forma anche quando viene riscaldato e raffreddato ripetutamente. Il vetro di quarzo è molto duro e resistente agli agenti chimici. Queste proprietà si rivelano utili in ambienti difficili e in processi ad alta temperatura.

Il vetro di quarzo è tipicamente utilizzato nei casi in cui eventuali contaminanti comprometterebbero misure precise. La chiarezza ottica è essenziale nella maggior parte dei dispositivi scientifici e delle applicazioni ad alta tecnologia. I laboratori che utilizzano il vetro di quarzo possono utilizzare componenti ottici speciali per la spettroscopia e i forni ad alta temperatura.

Che cos'è il vetro borosilicato?

Il vetro borosilicato si ottiene combinando biossido di silicio, ossido di boro (B₂O₃) e alcuni ossidi minori. La formula esatta può variare da azienda ad azienda. Questo tipo di vetro è diventato popolare grazie a prodotti come il Pyrex, in circolazione da molti decenni.

L'introduzione dell'ossido di boro conferisce a questo vetro proprietà uniche. Il vetro borosilicato ha una maggiore resistenza agli shock termici. Resiste agli sbalzi di temperatura senza rompersi. La sua resistenza chimica è moderata e accetta la maggior parte dei prodotti chimici di laboratorio. La sua espansione termica è inferiore a quella del normale vetro sodo-calcico. Ciò scoraggia la rottura quando il vetro si raffredda o si riscalda rapidamente. Il vetro borosilicato è robusto anche dal punto di vista meccanico e resiste agli usi quotidiani, come la cottura e lo stoccaggio di sostanze chimiche.

Questo vetro viene comunemente utilizzato in prodotti che necessitano di forza e resistenza termica. Si trova nei becher, nelle beute e nei condensatori da laboratorio. Grazie alle sue proprietà, viene spesso utilizzato anche nelle pentole di casa.

Differenze tra quarzo e vetro borosilicato

I due vetri hanno proprietà diverse. Di seguito sono illustrate le loro differenze:

Proprietà termiche:

- Il vetro di quarzo si ammorbidisce e si scioglie a temperature estremamente elevate. Le sue caratteristiche di bassa espansione termica lo rendono estremamente utile per le applicazioni ad alta temperatura.

- Il vetro borosilicato ha un punto di fusione inferiore a quello del quarzo e la sua resistenza agli shock termici è un vantaggio importante per i laboratori e per gli usi generici.

Proprietà meccaniche:

- Il vetro di quarzo è molto duro. È anche fragile. Si rompe in caso di impatto.

- Il vetro borosilicato è meno infrangibile. Ha una buona resistenza meccanica e può sopportare meglio alcuni urti.

Durata chimica:

- Il vetro di quarzo è resistente alla maggior parte delle sostanze chimiche, come acidi e basi.

- Il vetro borosilicato ha una resistenza chimica moderata, sufficiente per la maggior parte delle applicazioni di laboratorio, ma con il tempo viene distrutto da acidi e basi forti.

Proprietà ottiche:

- Il vetro di quarzo ha una buona trasparenza e una buona trasmittanza ultravioletta (UV).

- Anche il vetro borosilicato è trasparente, ma può presentare piccole variazioni nella trasmissione UV a seconda degli additivi presenti nella sua composizione.

Applicazioni di laboratorio

Il vetro di quarzo è utilizzato nei laboratori perché è stabile alle alte temperature e puro. Gli scienziati utilizzano i componenti di quarzo nei forni ad alta temperatura. Il suo stato stabile e chiaro favorisce gli strumenti ottici. Alcune apparecchiature per la spettroscopia utilizzano il vetro di quarzo per la sua precisione.

Il vetro borosilicato è onnipresente nella maggior parte delle apparecchiature di laboratorio. Becher, matracci e condensatori sono realizzati in vetro borosilicato. La sua resistenza agli shock termici previene gli incidenti in caso di rapidi cambiamenti di temperatura. Anche le apparecchiature per il trattamento chimico si avvalgono della sua resistenza all'usura. I due vetri sono utilizzati per funzioni di laboratorio diverse. Il vetro al quarzo è utilizzato per scopi che richiedono purezza e stabilità molto elevate. Il vetro borosilicato è adatto alle applicazioni di laboratorio quotidiane e alla lavorazione chimica generale.

Usi industriali e normali

Il vetro al quarzo trova applicazioni moderne nelle apparecchiature di uso quotidiano e nelle industrie high-tech. Si trova nelle fibre ottiche, dove sono necessarie precisione e trasparenza. Anche l'elettronica e la produzione di semiconduttori si affidano al vetro di quarzo. I cristalli di quarzo sono utilizzati in orologeria per la precisione degli orologi.

Il vetro borosilicato è ampiamente riconosciuto nelle case e nelle industrie. Le pentole in vetro borosilicato tollerano il calore. I prodotti di laboratorio, molto diffusi nelle scuole, sono realizzati con questo materiale. I componenti per l'illuminazione sono spesso realizzati in vetro borosilicato per la sua resistenza agli shock termici. Inoltre, i flaconi per lo stoccaggio di sostanze chimiche prodotti in vetro borosilicato sono affidabili e durevoli.

La scelta tra questi tipi di vetro dipende dal costo, dalla durezza e dalle esigenze di prestazione. Il vetro al quarzo presenta una maggiore purezza chimica e un'estrema resistenza al calore. Il vetro borosilicato raggiunge un equilibrio tra costo e prestazioni per l'uso domestico e aziendale.

Esperimenti pratici per osservare le proprietà

Semplici esperimenti aiutano a comprendere meglio questi vetri. I seguenti esperimenti possono essere eseguiti in un laboratorio domestico o scolastico.

Dimostrazione della resistenza al calore:

Posizionare alcuni vetri di quarzo e borosilicato in fonti di calore separate. Osservate come gestiscono le variazioni di temperatura. Il vetro di quarzo deve resistere al calore estremo e non perdere la sua forma. Il vetro borosilicato è in grado di gestire bene i cambiamenti improvvisi.

Osservazione della trasparenza e dell'indice di rifrazione

Entrambi i tipi di vetro devono essere illuminati con una sorgente luminosa. Si deve osservare il modo in cui la luce si rifrange attraverso entrambi i materiali. Il vetro di quarzo ha generalmente una rifrazione chiara e costante. Il vetro borosilicato è trasparente ma può presentare differenze minime.

Aggiungere una goccia di acido o di base leggera a ciascun campione. Lasciare riposare per un breve periodo e sciacquare il vetro con acqua. Il vetro di quarzo è poco influenzato dalla sua elevata resistenza. Il vetro borosilicato presenta probabilmente reazioni minori, a riprova della sua scarsa resistenza.

Questi test illustrano come ogni tipo di vetro si comporta sotto stress. Dimostrano perché alcuni tipi sono stati scelti per un uso particolare. Un semplice test dimostra le differenze in termini di stabilità al calore, trasmissione della luce e resistenza chimica.

Conclusione

Il vetro al quarzo e il vetro borosilicato hanno entrambi proprietà speciali adatte a diverse applicazioni. Il vetro al quarzo è superiore per purezza, stabilità termica e bassa espansione termica. Viene utilizzato soprattutto in ambienti ad alta temperatura e ad alta precisione nei laboratori e nelle industrie. Il vetro borosilicato ha una migliore resistenza agli shock termici, una moderata stabilità chimica e una buona resistenza meccanica. È ampiamente utilizzato nelle attrezzature di laboratorio, nelle pentole e nei componenti industriali. Per ulteriori informazioni e per gli esperimenti STEM, consultare il sito Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

F: Perché il vetro di quarzo è adatto alle alte temperature?

D: La sua purezza e stabilità termica gli consentono di resistere a forti sbalzi di temperatura con un'espansione minima.

F: Perché il vetro borosilicato è comune nelle pentole?

D: La sua durezza e l'elevata resistenza agli shock termici lo rendono sicuro per la cottura e il versamento di liquidi caldi.

F: Come si differenziano il quarzo e il vetro borosilicato per quanto riguarda la resistenza chimica?

D: Il vetro al quarzo ha una maggiore resistenza chimica, mentre il vetro borosilicato offre una resistenza moderata.