自然界中的降解

玻璃作為日常生活中再常見(jiàn)不過(guò)的物品，從玻璃被制造出的那天起，這種神奇的物品極大地方便了人們的生活。

同樣在建筑學(xué)中，玻璃也有十分優(yōu)秀的創(chuàng)造性。

不過(guò)在玻璃的使用中，由于它的質(zhì)地很脆，一個(gè)不小心，可能玻璃就碎了。

破裂的碎片不僅可以給人造成劃傷，并且進(jìn)行垃圾回收時(shí)也很不方便。

現(xiàn)代社會(huì)常常在講塑料制品的危害，但很多時(shí)候我們都忽略了玻璃制品給環(huán)境帶來(lái)的影響。

一個(gè)聽(tīng)著讓人難以置信的例子便在于，生產(chǎn)玻璃要比生產(chǎn)塑料造成的環(huán)境破壞更大。

無(wú)論是玻璃的原料開(kāi)采環(huán)節(jié)，還是玻璃的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，玻璃的制造通常伴隨著大量的環(huán)境污染。

同時(shí)因?yàn)橹圃觳Ａ枰芨叩臒崃浚虼嗽谥圃爝^(guò)程中，工廠釋放的二氧化碳和有毒有害氣體便成為了一大污染源。

玻璃生產(chǎn)需要高溫

另外在運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，同等運(yùn)輸量的物品到了玻璃制品這兒，比如玻璃瓶裝水。

同樣是100升的液體，如果要用玻璃瓶進(jìn)行運(yùn)輸，那么就不得不考慮玻璃瓶自身的重量所帶來(lái)的運(yùn)輸成本問(wèn)題，同時(shí)還要考慮運(yùn)輸過(guò)程中的損壞。

到了最后的回收流程中，如今全球絕大多數(shù)國(guó)家都沒(méi)有完全做到將玻璃瓶或者玻璃制品有效回收。

不管是普通的玻璃瓶還是可回收玻璃，自然界無(wú)形中存在著許多廢棄玻璃瓶。

生活中有許多廢棄玻璃瓶

盡管與塑料相比，玻璃瓶被丟棄在自然中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成太多破壞，但是它也會(huì)帶來(lái)很多不利的影響。

放置在自然環(huán)境中的玻璃很難被降解，我們可以來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單地對(duì)比。

生活中最常見(jiàn)的紙巾，我們隨時(shí)都在使用，它的原材料主要是木漿和纖維。

自然環(huán)境中想要進(jìn)行降解非常簡(jiǎn)單，大概只需要2~4周就能完全被降解，甚至某些蔬菜或瓜果都比它能放。

紙巾降解的微觀細(xì)節(jié)

例如水果中的蘋(píng)果，在食用完蘋(píng)果之后，通常蘋(píng)果核會(huì)被丟棄。

由于蘋(píng)果本身具有一定的抗氧化能力，自然界中想要降解它可能需要兩個(gè)月的時(shí)間才會(huì)消失。

如果是廢棄的棉質(zhì)衣物，在降解時(shí)間上會(huì)顯得相對(duì)更長(zhǎng)一點(diǎn)。

但畢竟是棉織品，所以它們被降解一般不會(huì)超過(guò)半年。

到了工藝制品這塊，比如皮革、鋁罐。它們的降解周期將會(huì)非常漫長(zhǎng)。

鋁罐與皮革的降解時(shí)間

即便是天然皮革材料，想要降解它也很不容易，這大概需要50年才能被微生物完全降解。

而鋁罐則需要200年以上，很大程度上這歸功于它屬于金屬制品。

玻璃有哪些特性？

到了耐分解的頂端，塑料瓶和玻璃瓶，由于塑料的化學(xué)鍵十分穩(wěn)定，各項(xiàng)化學(xué)性質(zhì)都非常優(yōu)秀。

因此一個(gè)塑料瓶想要被分解需要500年的時(shí)間，但是這和玻璃比起來(lái)根本算不上什么。

從時(shí)間上來(lái)看，玻璃瓶幾乎不能被降解

玻璃與其他物品不同，它的化學(xué)結(jié)構(gòu)比較特殊，而且有著極佳的抗氧化性。

一個(gè)玻璃瓶需要在自然中降解，至少需要1000000年，地球上幾乎沒(méi)有任何建筑的存在能與玻璃的降解時(shí)間媲美。

或許有人會(huì)好奇，為什么玻璃這么耐分解？

本質(zhì)上這是因?yàn)椴ＡУ淖陨硖匦院突瘜W(xué)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的，我們先來(lái)簡(jiǎn)單地了解一下玻璃的構(gòu)造。

常見(jiàn)的玻璃窗的化學(xué)結(jié)構(gòu)

它是一種非結(jié)晶的、透明且無(wú)定形固體。

在凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)中，無(wú)定形或非晶態(tài)固態(tài)由于缺乏長(zhǎng)程有序性的固體，因而被稱(chēng)作無(wú)定形。

但玻璃屬于一種比較特殊的情況，玻璃本身保持著玻璃化，只要給予高溫，它又可以回到無(wú)定形狀態(tài)。

從某種角度來(lái)講，可以把玻璃理解成特殊液體。

盡管玻璃的原子結(jié)構(gòu)具有過(guò)冷液體結(jié)構(gòu)的特征，但玻璃具備固體的所有機(jī)械性能。

由于化學(xué)鍵的限制，玻璃在局部原子多面體方面具有高度的短程有序性。

玻璃通過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變得來(lái)，對(duì)于熔體淬火，如果冷卻速度足夠快，相對(duì)于特征結(jié)晶時(shí)間來(lái)講，則可以防止物質(zhì)結(jié)晶。

一般來(lái)講，玻璃就結(jié)晶形式而言以結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)態(tài)存在。

由于玻璃缺乏一級(jí)相變，所有玻璃有時(shí)也被認(rèn)為是液體。

熔體淬火在工業(yè)中的應(yīng)用

在自然界中，玻璃的產(chǎn)生通常來(lái)自火山活動(dòng)。

火山噴出的長(zhǎng)英質(zhì)熔巖快速冷卻時(shí)會(huì)形成黑曜石，這是自然界中常見(jiàn)的玻璃形式，其本身具備很高含量的二氧化硅。

另外一種則來(lái)自隕石撞擊，劇烈的撞擊帶來(lái)了猛烈的能量，由此產(chǎn)生隕石玻璃。

另外雷擊也會(huì)帶來(lái)石英玻璃化砂，這種特殊的砂子有著中空、分枝的根狀結(jié)構(gòu)，一般將其稱(chēng)作閃電巖石。

火山噴發(fā)形成的黑曜石

值得一提的是，玻璃并不是我們想象的那樣屬于現(xiàn)代工藝制品。

嚴(yán)格來(lái)講，透明玻璃在制造技術(shù)成熟之后才大量出現(xiàn)。

并且在工業(yè)時(shí)代開(kāi)始后，人類(lèi)化學(xué)能力的提升帶來(lái)了各種各樣的玻璃制品。

人類(lèi)最早使用玻璃可以追溯到公元6000年前，

考古證據(jù)表明，第一個(gè)真正的合成玻璃在黎巴嫩和敘利亞北部的沿海地區(qū)。

早期的玻璃大多數(shù)來(lái)自自然界，人類(lèi)通過(guò)打磨加工制成工具或者工藝品。

中世紀(jì)的教堂玻璃

后來(lái)人類(lèi)在中世紀(jì)才逐漸掌握到玻璃的奧秘，不少輝煌的大教堂中的玻璃窗花則是最好的證明。

回到之前的話(huà)題中，現(xiàn)在我們明白了關(guān)于玻璃的一些簡(jiǎn)單特性和故事。

下面我們來(lái)聊聊什么情況下玻璃的穩(wěn)定性會(huì)被打破。

為何玻璃具備極佳的穩(wěn)定性？

要想回答這個(gè)問(wèn)題，可以直接從玻璃的化學(xué)性質(zhì)上入手。

簡(jiǎn)單來(lái)講，玻璃的降解在于二氧化硅身上。

二氧化硅是地球中硅的自然形式，它通過(guò)與氧氣接觸，并通過(guò)氧化還原作用形成石英等二氧化硅等礦物。

不同品質(zhì)的玻璃破碎狀態(tài)

最終在自然界的風(fēng)化作用以及侵蝕作用下形成沙子。

而玻璃的制作便是通過(guò)對(duì)二氧化硅進(jìn)行融化重塑，使其物理性狀發(fā)生改變。

造就玻璃化學(xué)性質(zhì)如此穩(wěn)定的原因在于，它是極易相互反應(yīng)的物質(zhì)之間形成的一種極穩(wěn)定的化合物。

硅與氧形成化學(xué)鍵，幾乎不與其他任何物質(zhì)形成鍵。

鈉鈣玻璃的化學(xué)結(jié)構(gòu)

氧作為一種相對(duì)較輕的元素，僅次于氫和氦，距填充價(jià)電子只差2個(gè)電子。

元素周期表的位置關(guān)系表明，氧對(duì)電子具有很高的親和力。

當(dāng)它獲得兩個(gè)額外的電子時(shí)，它會(huì)處于最穩(wěn)定的形式。

因此氧氣具備很高的電負(fù)性，同時(shí)氧的化學(xué)性質(zhì)使得它會(huì)迅速與比其自身電負(fù)性小的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

氧化還原效應(yīng)的氧化部分正是如此，除了氟以外，幾乎沒(méi)有其他元素能與氧氣的氧化性相媲美。

二氧化硅原子與氧原子

一旦電負(fù)性較小的元素與氧反應(yīng)，由此生成的分子結(jié)構(gòu)會(huì)非常穩(wěn)定，這需要大量的能量才能使氧氣釋放與之共享的電子。

比如在鋁熱反應(yīng)中，鐵銹通過(guò)氧化還原，恢復(fù)成鐵元素，然后氧氣與鋁形成更穩(wěn)定的鍵。

而硅的形態(tài)很接近金屬，并屬于非過(guò)渡金屬類(lèi)。

和碳一樣，它的價(jià)電子屬于半滿(mǎn)狀態(tài)，所以只要有合適的價(jià)電子補(bǔ)充，那么硅就會(huì)形成完整的化學(xué)鍵。

硅中的共價(jià)鍵合

兩個(gè)氧原子中的每一個(gè)價(jià)電子都與每個(gè)硅共享兩個(gè)電子，并且它們相對(duì)靠近自己的原子核。

相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，硅和氧氣形成的鍵有著極高的共價(jià)性。

硅氧單鍵比單獨(dú)的硅和氧原子的相互直徑短10%以上，因此它們之間存在重疊，而不是作為離散離子存在。

但硅不能與氧形成雙鍵，反而將自己排列成一個(gè)巨大的大分子。

其中硅原子就通過(guò)強(qiáng)單鍵晶格中的氧原子結(jié)合在一起。

這就導(dǎo)致了像玻璃這樣的材料具有很高的熔點(diǎn)，以及非常強(qiáng)大的內(nèi)聚性。

玻璃中巨大的共價(jià)晶格

在化學(xué)反應(yīng)中，出了氟元素能對(duì)玻璃做出有效反應(yīng)外，幾乎沒(méi)有任何物質(zhì)會(huì)與玻璃反應(yīng)。

氟化合物中，氟與氫鍵形成的酸性化合物，或者與溴等其他鹵素結(jié)合的化合物是非常強(qiáng)大的一類(lèi)化合物。

它們可以輕松地取代化學(xué)鍵中的氧，并破壞其中的電子結(jié)構(gòu)。

例如氫氟酸，如果將它裝在玻璃瓶中，由于玻璃中的氧化鍵會(huì)被剝奪。

玻璃的化學(xué)鍵遭到破壞，最終使玻璃變得不穩(wěn)定。

大多數(shù)化學(xué)品都用玻璃瓶放置

因而大部分化學(xué)實(shí)驗(yàn)品會(huì)采用玻璃瓶裝填，而不是塑料或者金屬器具。

但在自然界中，這種情況很難出現(xiàn)，因此玻璃也會(huì)長(zhǎng)存于自然界中。

所以，為了環(huán)境著想我們可以試著多回收這些玻璃制品，而不是簡(jiǎn)單地丟棄它們。