Vom Labor ins Leben: Eigenschaften von Quarz und Borosilikatglas lernen

Einführung

Glaswerkstoffe stehen im Mittelpunkt unseres täglichen Lebens und unserer Laboratorien. Sie finden sich in Geräten und Maschinen, die wir täglich benutzen, und sind in Forschungslabors und in der Industrie von zentraler Bedeutung für Präzision und Sicherheit. Quarzglas und Borosilikatglas nehmen in Wissenschaft, Industrie und Technik eine Schlüsselstellung ein. Sie werden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften ausgewählt.

Was ist Quarzglas?

Quarzglasbesteht hauptsächlich aus Siliziumdioxid (SiO₂). Es existiert in zwei Formen: natürlicher Quarz und synthetischer Quarz. Natürlicher Quarz bildet sich in der Erde über Tausende von Jahren. Synthetischer Quarz wird unter kontrollierten Bedingungen hergestellt, um eine hohe Reinheit zu erreichen.

Quarzglas ist sehr rein und sehr transparent. Es ist durchsichtig und eignet sich daher hervorragend für optische Anwendungen. Es ist thermisch sehr stabil. Die thermische Stabilität führt zu minimalen Veränderungen seiner Struktur. Quarzglas hat eine geringe thermische Ausdehnung. Es ändert seine Form auch bei wiederholter Erwärmung und Abkühlung nicht. Quarzglas ist sehr hart und chemikalienbeständig. Diese Eigenschaften erweisen sich in rauen Umgebungen und bei Hochtemperaturprozessen als vorteilhaft.

Quarzglas wird in der Regel dort verwendet, wo Verunreinigungen präzise Messungen beeinträchtigen würden. Optische Klarheit ist für die meisten wissenschaftlichen Geräte und Hochtechnologieanwendungen unerlässlich. Für Labors, die Quarzglas verwenden, sind spezielle optische Komponenten für die Spektroskopie und Hochtemperaturöfen erhältlich.

Was ist Borosilikatglas?

Borosilikatglas wird durch die Kombination von Siliziumdioxid, Boroxid (B₂O₃) und einigen kleineren Oxiden hergestellt. Die genaue Formel kann von Unternehmen zu Unternehmen variieren. Diese Art von Glas wurde durch Produkte wie Pyrex populär, die es schon seit vielen Jahrzehnten gibt.

Die Einführung von Boroxid verleiht diesem Glas seine einzigartigen Eigenschaften. Borosilikatglas hat eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit. Es hält plötzlichen Temperaturschwankungen stand, ohne zu zerbrechen. Seine chemische Beständigkeit ist mäßig und verträgt die meisten Laborchemikalien. Seine Wärmeausdehnung ist geringer als die des üblichen Kalknatronglases. Dies verhindert einen Bruch, wenn das Glas schnell abkühlt oder sich erwärmt. Borosilikatglas ist auch mechanisch sehr widerstandsfähig, so dass es alltäglichen Verwendungen wie dem Kochen und der Lagerung von Chemikalien standhält.

Dieses Glas wird häufig für Produkte verwendet, die sowohl fest als auch hitzebeständig sein müssen. Man findet es in Laborbechern, -kolben und -kondensatoren. Aufgrund seiner Eigenschaften wird es auch häufig für Kochgeschirr im Haushalt verwendet.

Unterschiede zwischen Quarzglas und Borosilikatglas

Die beiden Gläser haben unterschiedliche Eigenschaften. Nachstehend finden Sie eine Übersicht über ihre Unterschiede:

Thermische Eigenschaften:

- Quarzglas erweicht und schmilzt bei extrem hohen Temperaturen. Aufgrund seiner geringen Wärmeausdehnung ist es für Hochtemperaturanwendungen besonders geeignet.

- Borosilicatglas hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als Quarzglas und seine Temperaturwechselbeständigkeit ist ein großer Vorteil für Labor- und allgemeine Anwendungen.

Mechanische Eigenschaften:

- Quarzglas ist sehr hart. Es ist aber auch spröde. Es bricht beim Aufprall.

- Borosilikatglas ist weniger zerbrechlich. Es hat eine gute mechanische Festigkeit und kann einige Stöße besser verkraften.

Chemische Beständigkeit:

- Quarzglas ist gegen die meisten Chemikalien wie Säuren und Basen beständig.

- Borosilikatglas hat eine mäßige chemische Beständigkeit, die für die meisten Laboranwendungen ausreicht, aber mit der Zeit von starken Säuren und Basen zersetzt wird.

Optische Eigenschaften:

- Quarzglas hat eine gute Transparenz und eine gute Durchlässigkeit für ultraviolette Strahlung (UV).

- Borosilikatglas ist ebenfalls transparent, kann aber je nach den Zusätzen in seiner Zusammensetzung geringfügige Schwankungen in der UV-Durchlässigkeit aufweisen.

Anwendungen im Labor

Quarzglas wird in Labors verwendet, weil es bei hohen Temperaturen stabil und rein ist. Wissenschaftler verwenden Quarzkomponenten in Hochtemperaturöfen. Sein stabiler und klarer Zustand kommt optischen Instrumenten zugute. Einige Spektroskopiegeräte verwenden Quarzglas aufgrund seiner Präzision.

Borosilikatglas ist in den meisten Laborgeräten allgegenwärtig. Bechergläser, Kolben und Kondensatoren werden aus Borosilikatglas hergestellt. Seine Temperaturwechselbeständigkeit verhindert Unfälle bei schnellen Temperaturwechseln. Auch in der chemischen Verfahrenstechnik macht man sich seine Verschleißfestigkeit zunutze. Die beiden Gläser werden für unterschiedliche Laborzwecke verwendet. Quarzglas wird für Zwecke verwendet, die eine sehr hohe Reinheit und Stabilität erfordern. Borosilikatglas eignet sich für alltägliche Laboranwendungen und die allgemeine chemische Verarbeitung.

Industrielle und normale Verwendungszwecke

Quarzglas wird in modernen Geräten des täglichen Bedarfs und in der Hightech-Industrie verwendet. Es kommt in der Faseroptik zum Einsatz, wo Genauigkeit und Transparenz erforderlich sind. Auch in der Elektronik und der Halbleiterherstellung wird Quarzglas verwendet. Quarzkristalle werden in der Uhrmacherei für präzise Uhrwerke verwendet.

Borosilikatglas ist im Haushalt und in der Industrie weit verbreitet. Kochgeschirr aus Borosilikatglas ist hitzebeständig. Laborprodukte, wie sie in Schulen üblich sind, werden aus diesem Material hergestellt. Beleuchtungskomponenten werden häufig aus Borosilikatglas hergestellt, weil es resistent gegen Temperaturschocks ist. Darüber hinaus sind aus Borosilikatglas hergestellte Chemikalienvorratsflaschen zuverlässig und langlebig.

Die Wahl zwischen diesen Glasarten hängt von den Kosten, der Härte und den Leistungsanforderungen ab. Quarzglas hat eine höhere chemische Reinheit und ist extrem hitzebeständig. Borosilicatglas bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kosten und Leistung für den Einsatz im Haushalt und in Unternehmen.

Praktische Experimente zur Beobachtung der Eigenschaften

Einfache Experimente helfen, diese Gläser besser zu verstehen. Die folgenden Experimente können in einem Heim- oder Schullabor durchgeführt werden.

Demonstration der Hitzebeständigkeit:

Legen Sie einige Quarz- und Borosilikatgläser in getrennte Wärmequellen. Beobachten Sie, wie sie mit Temperaturschwankungen umgehen. Quarzglas muss extremer Hitze standhalten und darf seine Form nicht verlieren. Borosilikatglas kann mit plötzlichen Veränderungen gut umgehen.

Beobachtung von Transparenz und Brechungsindex

Beide Glasarten sollten mit einer Lichtquelle beleuchtet werden. Es sollte beobachtet werden, wie sich das Licht durch beide Materialien bricht. Quarzglas hat im Allgemeinen eine klare und gleichmäßige Brechung. Borosilikatglas ist durchsichtig, kann aber kleine Unterschiede aufweisen.

Geben Sie zu jeder Probe einen Tropfen einer milden Säure oder Base. Lassen Sie sie kurz stehen und spülen Sie das Glas mit Wasser aus. Quarzglas wird aufgrund seiner hohen Beständigkeit kaum angegriffen. Bei Borosilikatglas treten wahrscheinlich nur geringe Reaktionen auf, was auf seine geringe Widerstandsfähigkeit hindeutet.

Diese Tests verdeutlichen, wie sich jede Glasart unter Belastung verhält. Sie zeigen, warum bestimmte Arten für bestimmte Zwecke ausgewählt werden. Ein einfacher Test zeigt die Unterschiede in der Wärmestabilität, der Lichtdurchlässigkeit und der chemischen Beständigkeit.

Fazit

Quarzglas und Borosilikatglas haben beide besondere Eigenschaften, die für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Quarzglas ist in Bezug auf Reinheit, Temperaturstabilität und geringe Wärmeausdehnung überlegen. Es eignet sich am besten für Hochtemperatur- und Hochpräzisionsanwendungen in Labors und in der Industrie. Borosilikatglas hat eine bessere Temperaturwechselbeständigkeit, eine mäßige chemische Stabilität und eine gute mechanische Festigkeit. Es wird in großem Umfang für Laborgeräte, Kochgeschirr und industrielle Komponenten verwendet. Weitere Informationen und STEM-Experimente finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).

Häufig gestellte Fragen

F: Warum ist Quarzglas für hohe Temperaturen geeignet?

F: Dank seiner Reinheit und thermischen Stabilität kann es starken Temperaturschwankungen bei minimaler Ausdehnung standhalten.

F: Warum wird Borosilikatglas häufig in Kochgeschirr verwendet?

F: Seine Härte und hohe Temperaturwechselbeständigkeit machen es sicher für das Kochen und das Ausgießen heißer Flüssigkeiten.

F: Wie unterscheiden sich Quarzglas und Borosilikatglas in ihrer chemischen Beständigkeit?

F: Quarzglas hat eine höhere chemische Beständigkeit, während Borosilikatglas eine mäßige Beständigkeit aufweist.