自然界中的降解

玻璃作為日常生活中再常見不過的物品，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。

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

破裂的碎片不僅可以給人造成劃傷，并且進行垃圾回收時也很不方便。

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

一個聽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。

無論是玻璃的原料開采環(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。

同時因為制造玻璃需要很高的熱量，因此在制造過程中，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

另外在運輸環(huán)節(jié)中，同等運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，如果要用玻璃瓶進行運輸，那么就不得不考慮玻璃瓶自身的重量所帶來的運輸成本問題，同時還要考慮運輸過程中的損壞。

到了最后的回收流程中，如今全球絕大多數(shù)國家都沒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對環(huán)境造成太多破壞，但是它也會帶來很多不利的影響。

放置在自然環(huán)境中的玻璃很難被降解，我們可以來做一個簡單地對比。

生活中最常見的紙巾，我們隨時都在使用，它的原材料主要是木漿和纖維。

自然環(huán)境中想要進行降解非常簡單，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。

紙巾降解的微觀細節(jié)

例如水果中的蘋果，在食用完蘋果之后，通常蘋果核會被丟棄。

由于蘋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月的時間才會消失。

如果是廢棄的棉質(zhì)衣物，在降解時間上會顯得相對更長一點。

但畢竟是棉織品，所以它們被降解一般不會超過半年。

到了工藝制品這塊，比如皮革、鋁罐。它們的降解周期將會非常漫長。

鋁罐與皮革的降解時間

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，各項化學(xué)性質(zhì)都非常優(yōu)秀。

因此一個塑料瓶想要被分解需要500年的時間，但是這和玻璃比起來根本算不上什么。

從時間上來看，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。

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

或許有人會好奇，為什么玻璃這么耐分解？

本質(zhì)上這是因為玻璃的自身特性和化學(xué)結(jié)構(gòu)所帶來的，我們先來簡單地了解一下玻璃的構(gòu)造。

常見的玻璃窗的化學(xué)結(jié)構(gòu)

它是一種非結(jié)晶的、透明且無定形固體。

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

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，它又可以回到無定形狀態(tài)。

從某種角度來講，可以把玻璃理解成特殊液體。

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

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。

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

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

由于玻璃缺乏一級相變，所有玻璃有時也被認為是液體。

熔體淬火在工業(yè)中的應(yīng)用

在自然界中，玻璃的產(chǎn)生通常來自火山活動。

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

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

另外雷擊也會帶來石英玻璃化砂，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。

嚴格來講，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)時代開始后，人類化學(xué)能力的提升帶來了各種各樣的玻璃制品。

人類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)來自自然界，人類通過打磨加工制成工具或者工藝品。

中世紀的教堂玻璃

后來人類在中世紀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。

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

下面我們來聊聊什么情況下玻璃的穩(wěn)定性會被打破。

為何玻璃具備極佳的穩(wěn)定性？

要想回答這個問題，可以直接從玻璃的化學(xué)性質(zhì)上入手。

簡單來講，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，它通過與氧氣接觸，并通過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對二氧化硅進行融化重塑，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)

氧作為一種相對較輕的元素，僅次于氫和氦，距填充價電子只差2個電子。

元素周期表的位置關(guān)系表明，氧對電子具有很高的親和力。

當(dāng)它獲得兩個額外的電子時，它會處于最穩(wěn)定的形式。

因此氧氣具備很高的電負性，同時氧的化學(xué)性質(zhì)使得它會迅速與比其自身電負性小的物質(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

一旦電負性較小的元素與氧反應(yīng)，由此生成的分子結(jié)構(gòu)會非常穩(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，并屬于非過渡金屬類。

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

硅中的共價鍵合

兩個氧原子中的每一個價電子都與每個硅共享兩個電子，并且它們相對靠近自己的原子核。

相關(guān)實驗證明，硅和氧氣形成的鍵有著極高的共價性。

硅氧單鍵比單獨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巨大的大分子。

其中硅原子就通過強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，以及非常強大的內(nèi)聚性。

玻璃中巨大的共價晶格

在化學(xué)反應(yīng)中，出了氟元素能對玻璃做出有效反應(yīng)外，幾乎沒有任何物質(zhì)會與玻璃反應(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大的一類化合物。

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)實驗品會采用玻璃瓶裝填，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)，因此玻璃也會長存于自然界中。

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