Sharing Chemistry with the Community

Hóa học của thủy tinh màu

Thủy tinh hay kính màu là một thứ phổ biến trong cuộc sống của chúng ta, từ màu xanh của rượu vang và chai bia, đến màu đỏ, vàng và xanh lục của đèn giao thông. Nguồn gốc của những màu này là thứ mà chúng ta không suy nghĩ nhiều, nhưng một loạt các yếu tố khác nhau chịu trách nhiệm cho việc này. Bài viết hôm nay sẽ đề cập về hóa học của thủy tinh màu, nhằm giúp cho các bạn hiểu rõ hơn về vấn đề này.

Thành phần hóa học

Trước khi thảo luận về nguyên nhân của màu sắc ở độ sâu hơn, chúng ta cần bàn luận về thành phần hóa học của thủy tinh trước đã. Có nhiều loại thủy tinh khác nhau cho các mục đích khác nhau. Phần lớn kính hay thủy tinh chúng ta sử dụng trên cơ sở hàng ngày là thủy tinh soda-vôi (soda-lime glass); đây chủ yếu là hỗn hợp của silicon dioxide, oxit canxi (vôi) và natri oxit (soda).

Nó được sử dụng cho một loạt các mục đích, bao gồm chai, thùng chứa, cửa sổ và kính uống. Tuy nhiên, đó không phải là loại kính duy nhất mà chúng ta có thể thực hiện.

Một loại khác, mà những người làm việc trong các phòng thí nghiệm khoa học sẽ quen thuộc, là thủy tinh borosilicate. Cũng như silicon dioxide, loại thủy tinh này chứa boron trioxide. Nó có độ bền cao hơn, kết hợp với hóa chất và khả năng chịu nhiệt cao hơn, dẫn đến việc sử dụng nó trong phòng thí nghiệm, cũng như trong dụng cụ nấu nướng.

Ngoài ra, nó được sử dụng trong ống kính đèn pin, cho phép phần trăm ánh sáng cao hơn so với nhựa. Một số loại kính khác cũng có thể, chẳng hạn như kính chì, nhưng nằm ngoài phạm vi của bài viết này.

Phương pháp tạo màu chính

Kính màu thực sự có thể được sản xuất theo nhiều cách, nhưng có ba phương pháp chính. Việc đầu tiên liên quan đến việc đưa kim loại chuyển tiếp hoặc oxit kim loại đất hiếm vào thủy tinh. Điều này thường đạt được bằng cách thêm các oxit kim loại vào thủy tinh. Các ion kim loại hấp thụ các bước sóng nhất định của ánh sáng, thay đổi tùy thuộc vào kim loại, dẫn đến sự xuất hiện của màu sắc. Vậy tại sao những kim loại chuyển tiếp lại có màu?

Để giải thích tại sao các kim loại chuyển tiếp có màu, trước tiên chúng ta phải nói một chút về cách các electron trong một nguyên tử được bố trí xung quanh hạt nhân trung tâm. Ở trường trung học, phần lớn học sinh học được rằng các electron được sắp xếp trong ‘vỏ’ xung quanh hạt nhân; trong khi đây là một mô hình hữu ích để xem xét sắp xếp electron, cũng có thêm một lớp phức tạp nữa.

Trong lớp vỏ, các electron thực sự được sắp xếp trong các khu vực đặc biệt ở các mức năng lượng nào đó, trong các phân lớp còn gọi là “vân đạo hay obitan”. Các obitan này có các hình dạng khác nhau và được đặt tên bằng các chữ cái khác nhau: s, p, d, & f. Mỗi obitan này có thể chứa số lượng electron khác nhau: s có thể chứa 2, p 6, d 10 và f 14.

Kim loại chuyển tiếp là duy nhất trong Bảng tuần hoàn vì chúng là các phần tử duy nhất chứa các obitan d được điền một phần, và đây là chìa khóa cho các hợp chất và phức hợp màu mà chúng hình thành.

Các phức hợp kim loại chuyển tiếp được hình thành khi các kim loại chuyển tiếp được liên kết với một hoặc nhiều loại phi kim loại trung tính hoặc mang điện tích âm, được gọi là “ligand hay phối tử”. Nếu không có các liên kết này, tất cả các obitan d đều có năng lượng bằng nhau- tuy nhiên, một khi chúng có mặt, một số obitan d di chuyển đến một mức năng lượng cao hơn trước đây, trong khi một số chuyển động thành năng lượng thấp hơn, tạo ra khoảng cách năng lượng.

Điều này là do thực tế rằng, do hình dạng khác nhau của chúng, một số obitan d gần với các phối tử hơn các phối tử khác. Các electron có thể di chuyển từ quỹ đạo d năng lượng thấp hơn đến quỹ đạo d năng lượng cao hơn bằng cách hấp thụ một photon ánh sáng; bước sóng của ánh sáng hấp thụ phụ thuộc vào kích thước của khoảng cách năng lượng. Bất kỳ bước sóng không được hấp thụ của ánh sáng nào đi qua không được hấp thụ, và điều này gây ra sự xuất hiện màu của các hợp chất.

Những cách tạo màu khác

Một cách khác mà màu sắc có thể được giới thiệu là hình thành các hạt keo. Điều này đơn giản có nghĩa là các hạt của một chất bị treo trên toàn thủy tinh. Những hạt này thường được hình thành như là kết quả của việc xử lý bằng nhiệt, tạo thành những gì được gọi là “màu sắc nổi bật”. Các hạt keo phân tán ánh sáng của các tần số nào đó khi nó đi qua kính, gây ra màu sắc.

Thí dụ về các chất hạt keo tạo màu gồm vàng, truyền đạt một màu đỏ ruby, và selen, trong đó cung cấp các sắc thái từ màu hồng sang màu đỏ dữ dội.

Cách chính thức cuối cùng trong đó màu sắc có thể được giới thiệu chỉ là thông qua việc bổ sung các hạt đã nhuộm màu vào kính. Thí dụ về loại màu này bao gồm thủy tinh sữa và thủy tinh khói; thủy tinh sữa đạt được bằng cách thêm oxit thiếc.

Ngoài ra, kính màu còn tìm thấy cách sử dụng rõ ràng cho các mục đích trang trí – thí dụ như, cửa sổ kính màu tận dụng hiệu ứng màu của các ion kim loại. Tuy nhiên, màu sắc của kính có thể nhiều hơn thẩm mỹ. Thí dụ, chai bia có màu xanh lá cây hoặc màu nâu để loại bỏ các bước sóng cụ thể của ánh sáng tia cực tím, đây là loại tia góp phần làm hỏng bia và hương vị tự nhiên của chúng. Bên cạnh đó, nó cũng được sử dụng trong một số chai hóa chất cho một mục đích tương tự.

Đến đây là bài viết đã hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích được nhiều cho các bạn. Có nhiều thứ về màu sắc của kính hơn không thể trình bày hết trong bài viết này. Nếu bạn muốn tìm hiểu chi tiết hơn một chút, hãy giành thời gian tìm kiếm thêm trên báo và tạp chí nhé!

Tham khảo Compound Interest, SHA, và RCI.

Leave a Reply