小实验随意剪就是不崩碎,这玻璃咋了

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用剪刀剪窗花,很多小伙伴都见过,锋利的剪刀在纸张上一番运作后,精美的窗花栩栩如生。

可用剪刀剪玻璃,也能像剪窗花一样,剪出自己想要的形状,这可能吗?

这完全可能!只不过在下刀之前,你需要准备一点生命的源泉。具体该如何操作,神奇的背后又隐藏着怎样的科学原理?今天的实验《剪不碎的玻璃》将揭晓答案。

实验目的

认识玻璃的水解以及实际应用

实验材料

玻璃盆、玻璃片、清水、剪刀操作步骤

1.准备一块玻璃片,试图将其端头剪成半圆形,直接开剪,伴随“嘎嘣脆”的声音,玻璃瞬间无规则的崩裂;

2.将常温清水倒入盆中备用(尽量维持高水位,方便后续操作);

3.将玻璃伸入水中,成功剪出半圆。

现象及原理

通过上面的实验发现:同规格的玻璃片,在空气中用剪刀直接开剪,玻璃片支离破碎,在水中操作,很顺畅地将其剪成了想要的半圆形状。

玻璃的主要成分是二氧化硅,水分子中的氢氧根破坏了二氧化硅的稳定性,使硅氧之间原本牢固的共价键被氢氧根折断,水将玻璃内部的结构弱化,所以能将玻璃剪成想要的形状而不崩裂。这个过程也被科学家们称作玻璃的水解,打磨镜片需要加水也正是该原理。

实验示范视频BGM:AlexanderNakarada-ReachingTheSky拍摄/剪辑:科学奶爸玻璃的水解机制

这个过程比较复杂,涉及分子的内部结构,咱们简单探讨一下。

玻璃的主要成分叫做二氧化硅,从化学键来看,硅和氧相遇之后,它们会默契的形成一个稳固的四面体结构。大致可描述为是4个氧原子包围了1个硅原子,而存在于硅原子和氧原子之间的,就是让两者相互结合的共价键,它就像连接二者的桥梁。

它们的共价键非常牢固,使玻璃整体呈网状构造,因此,没有裂痕的玻璃非常坚硬。共价键示意图/图片源于网络,侵删不过,它有一个弱点,那就是很容易受到水分子中氢氧根的攻击。在它的攻击下,硅原子十分容易被氢氧根拉拢,妥协后的硅原子,会因硅氧之间原本存在的共价键很容易被氢氧根折断,从而导致玻璃内部结构被水弱化。这种过程被科学家称为“玻璃的水解”。水解示意图/图片源于网络,侵删

科学家们发现,氢氧根的水解作用可以使玻璃破裂时所需要的力量减少20倍。所以玻璃在水中可以轻易地被剪成各种形状。

也许有人会问,既然如此,为什么我们在洗杯子或是喝水的时候,那些玻璃不会破碎呢?这是因为你手中的玻璃器皿没有裂痕,它处于完好的状态,也就导致氢氧根找不到它能攻击的弱点。

还有一个原因是在室温环境下,水里的氢氧根相对较少,这使得该环境下,完好的玻璃被水解的速度变得异常缓慢。

有数据指出,将二氧化硅玻璃丢在pH值为8以下的溶液里,一年下来,它只能水解10纳米左右。

如果说这个玻璃容器上有细小的裂痕,或是说它经常被人们拿来盛放碱性高温液体的话,那么这个玻璃容器的水解速度就会有明显的加速。一些用久了的玻璃杯,它们的表面看上去并不清透,似乎被一层白雾包裹,这层白雾怎么洗都洗不干净,这其实就是水解等腐蚀作用留下的印记。

玻璃杯/图片源于网络,侵删赶紧看看你家有没有这种玻璃杯吧~~应用实例

水解在生活中对我们是有所帮助的,人们可以利用玻璃的水解给我们带来某些便利。

比如割玻璃时会把水涂抹在玻璃刀上,或者往玻璃上加水,这就是利用水解过程使之更容易被折断。

在眼镜店打磨镜片时也会不断地向镜片喷水,一来可以冲走玻璃残渣,另一方面也是为了让玻璃镜片更好打磨。人们还发明出了水刀切割技术,这些都是对水解现象的应用。

坚硬的玻璃居然在水中变得如此脆弱,看完今天的实验,是不是感觉奇奇怪怪的知识又增加了?如果是的话,记得点个在看哦~往期文章推荐----

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▼“80后”的理工硕士奶爸,爱科学、爱摄影、爱生活,家有俩娃,女孩萱宝、男孩睿宝,还有一位爱画画的妻子。左手带娃,右手科创,4年陪娃做了个科学小实验,


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