玻璃上擦不掉的髒東西究竟是什麼?

03-15 10:42:09　來源:中國科普博覽微信公眾號

說到玻璃，大家可能都不陌生，不管是自家窗戶還是對面大樓的窗戶，基本上都是用玻璃做的，這不僅僅是因為其優異的光學性能(透光)，還因為它有極好的物理防護性能(擋風、防雨)。在造價和取材方面也很親民，隨處都可以找到它的身影。 

Part.1

玻璃的前世今生 

玻璃一般是指透明、脆性、不透氣並具有一定硬度的物料。 

世界上最早的玻璃是古埃及人製造的[1]。玻璃的出現與使用已有四千多年歷史。而在中國，人們在西周時期的古墓中曾發現玻璃管、玻璃珠等物品，這說明古人在西周時已經開始製造並使用玻璃。南北朝以前的人們，將用火燒成的透明物通稱為「琉璃」；宋朝時則開始稱之為「玻璃」；到明清時期，習慣將低溫燒成的、半透明的、有玻璃光澤的物質稱為「琉璃」。

  

▲色彩繁多的玻璃珠 （圖源：參考文獻1） 

中國古典作品中亦有提及「玻璃」一詞。比如南宋詩人楊萬裡(1127年-1206年)的《稚子弄冰》一詩中： 

稚子金盆脫曉冰，

彩絲穿取當銀錚。 

敲成玉磬穿林響，

忽作玻璃碎地聲。 

其實，按照現在的標準來說，很多當時所說的「琉璃」並不指現代所說的「玻璃」[2]。 

如今，玻璃已經成為日常生活、生產和科學技術領域的重要材料。玻璃能反射、折射光線，因此可以製作透鏡、三稜鏡或高速傳輸用的光纖；玻璃中若加入金屬鹽類，其顏色會改變，因此可以用玻璃製作色彩斑斕的藝術品，比如著名的花窗玻璃。 

最常見的玻璃是鈉鈣玻璃，主要成分是二氧化矽（SiO2）、氧化鈉（Na2O）、氧化鈣（CaO）以及其他添加物。玻璃在日常環境中呈現化學惰性，一般不溶於酸（例外：氫氟酸（HF）與玻璃反應生成SiF4，會導致玻璃的腐蝕）；但溶於強鹼，例如氫氧化鈉 (NaOH)[2]。 　　  

Part.2

常見的玻璃腐蝕現象 

在大家的認知中，可能覺得生活中的玻璃是一種很穩定的物質，不容易發生腐蝕。如果仔細觀察臥室的鏡子或者是窗戶上的玻璃，就會發現，隨著使用時間延長，玻璃表面會出現白霧、白點，即便噴水擦拭後也無法除去，這些白霧、白點並不是灰塵，而是玻璃發生腐蝕後的產物，也有人用「玻璃風化」、「玻璃發黴」來形容這種腐蝕現象。 　　   

▲（a）公交車玻璃上的白霧、白點 （b）彩虹斑 （圖源：參考文獻4） 

在春夏之交，氣溫和溼度逐漸升高，會使玻璃腐蝕的機率大大增加。對於單純承受大氣物質侵蝕的建築物窗戶玻璃來說，其腐蝕可以分為四個階段[5]： 

（1）空氣中的水、二氧化碳和灰塵等物質會吸附在玻璃表面形成沉積物，但這種表面沉積物很容易用水清洗。 

（2）如果玻璃一直處於較高溼度的條件下（60%以上），表面的沉積物會變厚（約1μm），水或者潮氣會向玻璃內擴散，玻璃組分水解後會使表面變色，仍然可以用水清洗乾淨。 

（3）玻璃表面形成沉積膜後，如果繼續處於較高溼度的大氣環境下，某些成分（鹼金屬和鹼土金屬）會在玻璃表面大量富集和浸析，表面的可溶性矽酸鹽被破壞，此時，局部位置會存在矽含量較高的物質，看起來像是水漬殘留，腐蝕輕微的部分用食醋就可以清洗，腐蝕嚴重的甚至得用前面提到的氫氟酸才能有效的清洗。 

（4）最後階段，玻璃表面將變得十分粗糙，局部會發生嚴重的腐蝕。這是因為玻璃中的鈉離子從基體中遷出，與空氣反應生成白色的鹼性物質，這便是玻璃上的白霧、白點，即使用氫氟酸也無法達到有效清洗。

   

▲玻璃在大氣中的腐蝕過程 （圖源：作者自製） 

可能大家對玻璃表面粗糙不太理解，舉個生活中例子：鏡子用得越久，會感覺它越來越模糊，這就是由於表面受到了腐蝕，變得較為粗糙，入射的光線部分發生了漫反射。從玻璃腐蝕的第一階段來考慮，每周用水輕輕擦拭，保持鏡子清晰乾淨，其使用壽命可以延長。 

除了白霧、白點，玻璃腐蝕還會出現彩虹斑，它的成因比較複雜，具體可以分為兩種：（1）生產過程中產生的，也被稱為應力斑。由於玻璃內部應力分布不均勻而使得入射光產生幹涉的現象，目前尚無方法避免。（2）使用過程中產生的，受到空氣中的水汽或者其他化學產品的侵蝕[6]。 　　  

Part.3

玻璃腐蝕，有弊也有利 

雖然玻璃腐蝕會給我們生活帶來困擾，但在玻璃加工過程中，這是一種有用的加工手段。有人可能好奇玻璃上的文字或者花紋是怎麼添加上去的？  

方法除了直接進行雕刻，還可以利用蝕刻劑(HF，氫氟酸)來對玻璃進行刻蝕。將玻璃塗上用汽油溶解的石蠟液作為保護層，在固化的石蠟層上雕刻出所需要的文字或者圖案，刻痕深度要能使玻璃露出；然後，將氫氟酸滴於文字或者圖案上，控制腐蝕的時間、調整所需花紋的深淺，之後用溫水洗去石蠟和氫氟酸，即可製得有花紋的玻璃[7]。（不建議自己操作，氫氟酸具有強烈腐蝕性） 

▲利用HF刻蝕玻璃 （圖源：參考文獻8） 化學反應方程式為：

 

其實，玻璃的腐蝕速度並不取決於材料的固有特性，它取決於玻璃的成分、結構、表面狀態以及環境條件。通過上述講解，我們可以發現玻璃腐蝕無處不在。雖然有時候會給我們的生活帶來一些麻煩，但轉換一下思路，它也可以成為加工材料的一種手段。腐蝕對於玻璃有利也有弊，如何興利抑弊則需要我們共同努力。 

參考資料： 

1. 世界是何時會制玻璃的？[EB/OL]. http://wap.ea3w.com/jdbk/92128.html, 2016-05-06 

2.  [EB/OL]. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%8E%BB%E7%92%83, 2019-03-22 

3.  [EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/%E7%8E%BB%E7%92%83/287?fr=aladdin, 2018-09-17 

4. 圖片：玻璃出現發黴問題，應該怎麼辦？https://www.sohu.com/a/225460590_100076051, 2018-03-13 

5.  Uhlig, H. H., 尤利格腐蝕手冊[M]. 化學工業出版社: 北京, 2005:305-306 

6.   玻璃出現彩虹斑的原因和解決方法[EB/OL]. https://www.glass.com.cn/glassnews/newsinfo_206824.html. 2018-04-7.   [EB/OL].https://baike.baidu.com/item/%E8%9A%80%E5%88%BB%E7%8E%BB%E7%92%83.2018-04-18 

8.   圖片：氫氟酸刻蝕玻璃, https://www.glass.com.cn/glassnews/newsinfo_229362.html. 2019-03-12

 本文綜合整理自科普中國《玻璃上擦不掉的東西究竟是什麼？》

作者：黃松鵬 顧松華 王振堯

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