Теоретические положения

Стеклянная тара - один из самых надежных видов упаковки для разнообразных пищевых продуктов, лекарственных препара­тов, парфюмерных веществ и т.д.

Снижение качества и порча пищевых продуктов, расфасованных в стеклянной таре, могут быть связаны со следующими факторами:

· химической стойкостью стекла;

· состоянием поверхности стеклоизделий, находящейся в контак­те с пищевыми продуктами;

· сроками и условиями хранения стеклянной тары до расфасовки пищевых продуктов;

· сроками хранения пищевых продуктов.

Химическая стойкость стекол яв­ляется ключевым фактором при выборе тары.

Химическая устойчивость - способность стекла противосто­ять разрушающему действию агрессивных сред - воды, кислот, щелочей, растворов солей, влаги и газов атмосферы. Стекло, по сравнению с другими материалами, отличается высокой химиче­ской стойкостью, которая зависит от его химического состава, при­роды действующего реагента и условий, при которых реагент действует на стекло.

По характеру действия на стекло реагенты можно разделить на две группы.

К первой группе относятся вещества, которые изменяют, растворяют или разрушают силикаты в составе стекла. Такими веществами являются вода, атмосферная влага, растворы ки­слот (кроме плавиковой и фосфорной), нейтральные или кислые растворы солей (с рН = 7 и ниже).

Ко второй группе относятся веще­ства, которые действуют не только на находящиеся в стекле силикаты, но и на избыточный кремнезем. К этой группе относятся растворы щелочей, карбонатов и других компонентов (с рН среды выше 7), плавиковая и фосфорная кислоты.

Слабое взаимодействие химических реагентов (кроме плавиковой кислоты НF) со стеклом объясняется наличием на его поверхности защитной кремнезёмной плёнки (пленки из диоксида кремния SiO₂). Природа химической стойкости и сущность процессов, происходящих при разрушении стекла, заключаются в следующем.

Силикаты, находящиеся на поверхности стекла, всту­пают во взаимодействие с водой или влагой воздуха, гидролизуются и образуют щёлочь и гель кремниевой кислоты:

R₂SiO₃ + Н₂O ↔ 2 RОН + SiO₂ (гель), где R – ионы металлов (Na⁺, K⁺).

Щёлочь вымывается с поверхности стекла, а гель кремние­вой кислоты остаётся и образует защитную плёнку. Кремниевая кислота замедляет процесс дальнейшего разрушения стекла. От толщины слоя защитной плёнки и его плотности зависит скорость диффузии через этот слой молекул воды. Процесс разрушения стекла резко замедляется при толщине защитной кремнеземистой плёнки более 50 нм.

Разрушение стекла возможно не только при его прямом сма­чивании, но и при неудовлетворительных условиях упаковки, хра­нения и транспортировки. Условия, при которых конденсируется влага на поверхности стекла, являются неблагоприятными и стек­ло разрушается. При длительном воздействии щелочных раство­ров на поверхность стёкол (например, когда стекло, упакованное в ящики, проложено сырой стружкой) щёлочи сначала растворяют защитную кремнеземную плёнку, а затем вступают во взаимодей­ствие с самим стеклом. Сначала на поверхности появляются бе­лые пятна, а затем и более глубокие повреждения. Образующийся налёт продуктов растворения отслаивается в виде чешуек.

В отличие от других реагентов, плавиковая кислота НF реагирует с поверхност­ной кремнезёмной плёнкой, вследствие чего происходит дальней­шее обнажение поверхности стекла, и процесс его растворения под действием плавиковой кислоты продолжается. Плавиковая ки­слота (НF), вступая в реакцию со стеклом, образует газообразный фторид кремния, а также фториды и кремнефториды металлов. Эти вещества, в основном, малорастворимы и очень быстро по­крывают плотным слоем поверхность стекла:

Nа₂O • SiO₂ + 6 НF -> Na₂SiF₆ + 3 Н₂O

К₂O• SiO₂ + 6 НF -> К₂ SiF₆ + 3 Н₂O

PbО • SiO₂+ 8 НF -> PbF₂ + 2 Н⁺ + SiF₆^2- + 3 Н₂O

МgО • SiO₂ + 8 НF -> MgF₂ + 2 Н⁺ + SiF₆^2- + 3 Н₂O

SiO₂ + 6 НF -* 2 Н⁺ + SiF₆^2- + 2 Н₂O

SiO₂ + 4 НF ->SiF4 + 2 Н₂O

Химическая стойкость силикатных стёкол в большей степени зависит от химического состава, в основном от содержания в стек­ле кремнезёма и щелочных оксидов. Введение в шихту кремнезё­ма значительно повышает, а щелочных оксидов понижает химиче­скую стойкость. Калиево-натриевые стёкла более стойкие, чем чисто натриевые или чисто калиевые. Оксиды щелочно-земельных металлов, алюминия, бора, цинка повышают химическую стойкость стекла, а оксиды свинца - понижают её.

К действию кислот устойчивы очень кислые стёкла с низким содержанием щелочных и умеренным содержанием щелочно­земельных оксидов. Особенно стойки стёкла, содержащие А1₂O₃, ТiO₂ и ZrO₂.

Устойчивость силикатных стё­кол по отношению к щелочам, особенно концентрированным, не высока. По­вышают щелочеустойчивость стёкол оксиды алюминия и циркония, а снижают её оксиды щелочных металлов, ВаО, МgО, РbО и TiO₂.

Разрушение стекла химическими реагентами значительно усиливается при повышении температуры. С ростом температуры на 1° процесс ускоряется на 15-30% и тем сильнее, чем выше на­чальная температура. Вода особенно активна при температуре выше 100°С, при более высоких температурах разрушение значи­тельно усиливается. Устойчивыми к перегретой воде или щелочным растворам оказываются лишь цирконийсодержащие стёкла.

Испытания технических стёкол на химическую устойчивость осуществляют при температуре кипе­ния воды. Стёкла, изделия из которых предназначены для стерилизации или работы под давлением, испытывают в авто­клавах при температуре 120°С.

С увели­чением удельной поверхности изделий химическая устойчивость стекла резко понижается: тонкие стеклянные нити или стеклянный порошок разрушаются реагентами во много раз быстрее, чем массивное стекло. Химстойкость зависит от состояния поверхности и является более высокой у изделий с огнеполированной поверхностью, чем у механически обработанных стёкол того же состава.

Закалённые стёкла разрушаются в 1,2-2 раза сильнее, чем хорошо отожжённые. Исключение со­ставляет группа щелочно-боросиликатных стёкол с высоким со­держанием В₂O₃, превышающим содержание щелочных оксидов. Устойчивость этих стёкол уменьшается при отжиге и возрастает при закаливании.

В зависимости от водостойкости стёкла делят на пять гидро­литических классов: I - неизменяемые водой; II - устойчивые; III - твёрдые аппаратные; IV - мягкие аппаратные; V - неудовле­творительные. Большинство тарных стёкол принадлежат к самому большому - III гидролитическому классу (табл.2).

Таблица 2. Гидролитическая классификация стекол

Химическая устойчивость поверхности стеклянных изделий может быть повышена в сотни и даже в тысячи раз путем специаль­ной термохимической обработки их поверхности кислыми газами (СО₂ или SO₂) или слабыми растворами кислот. При этом оптиче­ские свойства стекла и его внешний вид практически не изменяются.

Химическую стойкость определяют количеством кислоты (НС1), пошедшей на титрование раствора, которым было обрабо­тано испытуемое стекло: чем больше израсходовано кислоты, тем меньше химическая стойкость стекла. В зависимости от количест­ва кислоты, мл, расходуемой на титрование навески стекла 5 г, оп­ределяют гидролитический класс стекла.

Выполнение работы

Цель работы: определить химическую устойчивость различной стеклянной тары.

Этап 1. Определение среды раствора тарных стёкол

Оборудование: ступка с пестиком.

Реактивы: кусочки различного тарного стекла; дистиллированная вода Н₂О; фенолфталеин (индикатор).

Ход работы: Растереть в ступке по отдельности несколько кусочков раз­личного тарного стекла. Около 1г каждого получен­ного порошка перенести в пробирки, добавить 2-3 мл дистилли­рованной воды и 1-2 капли индикатора фенолфталеина.

Записать наблюдения. Проследить за окраской водного слоя в течение 30 - 60мин. Объяснить изменение окраски инди­катора фенолфталеина. Сформулировать вывод о среде раство­ров различных тарных стёкол.

Этап 2. Определение химической устойчивости и гидролитического класса тарных стёкол в различных средах.

Оборудование: конические колбы на 100 мл; электриче­ская плитка; водяная баня, установка для титрования.

Реактивы: навеска порошка различного тарного стекла (5 г); свежепри­готовленная дистиллированная вода (на титрование 50 мл этой воды должно расходоваться не более 0,4 мл 0,01 н раствора НС1); 0,01 н раствор НС1; раствор индикатора метилового красного; буферный раствор (рН = 5,2).

Ход работы: Приготовить раствор сравнения; для этого в коническую колбу поместить 50 мл буферного раствора и добавить в него две капли метилового красного. Зафиксировать цвет раствора сравнения.

5 г порошка различного тарного стекла поместить в коническую колбу, добавить 50 мл нейтральной дистиллированной воды, закрыть пробкой и выдержать при температуре 98°С±0,2 в течение 50 мин.

После этого жидкость охладить, добавить две капли раство­ра индикатора метилового красного и титровать 0,01 н раствором соляной кислоты НС1, доводя раствор до окраски раствора сравнения (буферного раствора).

Отметить расход соляной кислоты, по таблице 2 определить гидролитиче­ский класс тарных стёкол. Свести результаты в таблицу и сделать вывод о химической устойчи­вости тары из разных видов стекол.

Требования к отчету:

1. Заготовку отчета оформить заранее, осветив ней теоретические положения и цель работы.