Cam

Ana maddesi silisyum olan cam, saydam veya yarısaydam bir yapıya sahiptir. Camın sert, kırılgan özellikleri dikkat çeker fakat sıvıların muhafazasına imkân verdiği için, inorganik amorf yapıda katı bir malzeme olarak da tanımlanabilir. Aynı zamanda cam, sırça kelimesinin eşanlamına da karşılık gelir.

Cam Antik çağlardan itibaren, inşaat malzemesi, süs eşyası gibi çeşitli alanlarda kullanılmıştır. Günümüzde hâlen, basit araç gereçlerde popüler olduğu gibi, iletişimden uzay teknolojisine kadar, geniş bir kullanım ağına sahiptir.

• Cam, ani soğutulmuş alkali ve toprak alkali metal oksitleriyle, diğer kimi metal oksitlerin çözülmesinden oluşan akışkan bir malzeme olup, ana maddesi SiO2-Silisyumdur.
• Cam amorf yapısını koruyarak katılaşır. Üretim sırasında hızlı soğuma nedeniyle kristal yapı yerine amorf yapı oluşur.
• Amorf yapısı, cama sağlamlık ve saydamlık özelliğini kazandırır. Katılarda görülen kristallenme özelliklerini göstermediğinden dolayı, bazen sıvı olarak da adlandırılır. Bunun sebebi ise amorf yapısından kaynaklı denilebilir.

Tarihi Antik Çağlara kadar uzanan camın, ilk defa ne zaman üretildiği kesin olarak bilinmez, fakat en eski cam eşyalarına MÖ 2500 yıllarına ait Antik Mısır boncuklarında rastlanmıştır. Daha geç dönem olan Mısır’a ait bulgularda ise, tüye benzer renkli zikzak paternleri olan cam kaplara ulaşılmıştır.

• Modern anlamda camdan mozaik yapımına geçiş sürecine ise, Ptolemaic devirde, İskenderiye’de ve Antik Roma medeniyetlerinde rastlandığı söylenebilir.

Camın Faz  Özelliği

Cam bir amorf katıdır, bu nedenle bazı durumlarda, davranış olarak sıvı halde bir maddeye benzer. Sıvı maddelerin genel özelliklerinden olan viskozite, camda da bulunan bir nitelik olarak karşımıza çıkar. Başka bir anlamda, cam akışkan bir maddedir, fakat akış süresi oldukça uzundur; hatta akış süresini gözlemlemeye, herhangi bir insan ömrünün yetmeyeceği ifadesiyle, zaman dilimin oldukça uzun olduğu belirtilir. Bu nedenle cam sıvı bir madde olarak nitelendirilir.

• Aynı zamanda camlar, katılar kadar belirgin erime sıcaklığı olmayan, sıvı davranışı gösteren katı bir fazdır.

Amorf Katı

Amorf katı terimi, Yunanca şekil anlamına gelen morphé kelimesinden türemiştir. Atomların kararlı bir kristal yapıya sahip olmadığı katılar için kullanılır, şekilsiz katı olarak da tanımlanabilir.

• Amorflar gelişigüzel bir yapı gösterebilirler. Uzun süre beklemede akışkan olduğu gözlemlenir. Genellikle sıvı halinin ani olarak soğutulmasıyla elde edilirler.

Örneğin cam, lastik, plastikler bu türdendir. Bu tür maddeler şekilsiz olduğu için amorf grubuna girerler.

• Amorf katılar belli bir sıcaklık aralığında gitgide yumuşarlar, akıcılık kazanırlar. Yumuşamanın başladığı bu noktaya camsı geçiş sıcaklığı denir. Erime amorf bir cisimde belirli bir sıcaklıkta olmaz.
• Erimenin başladığı ve bittiği sıcaklık derecesi arasında belirli bir fark vardır. Bu nedenle amorf bir maddenin, erime noktasından bahsedilemez.
• Erime noktası olmayan amorf maddenin sıcaklığı yükseldikçe, yumuşar ve belirsiz bir sıcaklıkta sıvı hale geçer.

Cam ısıtıldığı zaman önce yumuşar, sıcaklık daha da yükselirse akıcı hale gelir. Yumuşama ile akıcı hale gelme arasında kalan sıcaklıklarda çalışılarak, laboratuvarlarda ve evlerde kullanılan cam eşyalar kalıplanarak yapılır. Plastik ve lastik malzemelerde kalıplanarak üretilir.

Cam ve Bileşenleri

Camın kimyasal yapısını ve ana bileşenini kum SiO₂ oluşturur. Ayrıca çeşitli metal oksitleri bünyesinde barındıran bir maddedir. Aynı zamanda cam, teorik olarak akışkanlığı çok düşük olan sıvı özelliğine sahiptir.

Camın bileşimini oluşturan üç madde; oksitler, eriticiler ve sabitleştiricilerdir.

• Camın ana bileşenleri SiO₂, B₂O₃, P₂O₅gibi yarı metal ya da ametal oksitleridir. Bu maddeler ısıtıldıklarında ağ örgülü yapı oluşturur.
• Cam üretiminde yaygın olarak kullanılan eriticiler; Na2O, K2O ve Li2O’dir. Bu maddeler safsızlık oluşturarak erime sıcaklığını 200 0 C kadar düşürür.
• Camın kimyasal maddeler karşısında bozulmasını engellemek, kırma indisini ayarlamak, elektriklenme özelliğini kontrol etmek adına kullanılan, gerekli maddelere sabitleştirici denir. Bunlar CaO, BaO, PbO, MgO, ZnO şeklindedir.

Adi Camın Bileşimi

Adi camın bileşimine giren üç grup madde bulunur;

• Cam haline gelebilen maddeler: Oksitler, eriticiler ve stabilizatörlerdir.
• Camın bileşiminde yer alan bu maddeler; kum-soda-kireç olarak da tanımlanır.

Adi camın bileşimine giren maddelerden başka, cama önemli özellikler kazandıran ve üretimde kimi yararlar sağlayan yardımcı bileşenleri de mevcuttur. Camlaşma niteliği olan bu maddeler, genelde ağ oluşturan kimi oksitlerdir. Bunların en başında Kuvars kumu sayılabilir.

• Ağ oluşturan oksitlerin en önemlileri, formülleri: SiO2, B2O3 ve P2O5 (fosfor)

Eriticiler:

Ağ oluşturan, cam haline gelebilen oksitlerin erimelerini kolaylaştırmak nedeniyle, cam bileşimine katılan maddelere eriticiler denir. Bu maddeler cam bileşiminde, erime sıcaklığını düşürür, böylece erimelerini kolaylaştırır.

• Özellikle 1713 ˚C’deki silisyumun erime derecesi 1550˚C’ye düşer.
• Eriticiler ağ içine girerek onu değiştirdiği için, eriticilere, modifikatör de denir.

Cam üretiminde kullanılan en önemli eritici madde, sodyum karbonat (Na2CO3) ya da yaygın kullanılan ismiyle Soda’dır. Soda, birim fiyat olarak, cam üretiminde kullanılan en pahalı hammaddelerden biridir.

Stabilizatörler (Sabitleştiriciler):

Stabilizatörler, camın kimyasal dayanımı, kırılma indisi, dielektrik nitelikleri üzerinde etki yaparlar.

• Formülüne stabilizatör ilave edilmemiş bir cam, su karşısında stabil nitelik göstermez. Bu sebeple ilgili camlara su camı denilir.
• Stabilazatör olarak kullanılan maddelerin bazıları: CaO, BaO, PbO, MgO ve ZnO şeklindedir.

CaO kireç taşının (CaCO3), MgO ise dolomitin (MgCO3) cam formülüne katılması ile sağlanmış olur. Bu iki maddenin ısıtılmasıyla bünyelerindeki CO2 çıkar, geriye oksitler kalır. Formül olarak gösterilirse, CaCO3 = CaO+ CO2 şeklinde denilebilir.

Yardımcı Bileşenler (İkincil Bileşenler):

Yardımcı bileşenler, genellikle adi camın formülünde yer almazlar, fakat değişik cam türlerinde farklı etkiler sağlamak üzere kullanılan oksitlerdir.

• Örneğin Mangan dioksit-MnO2 camın rengini açar.
• Arsenik-As2O3 renk verir, saflaştırır.
• SülfüNa2SO4 redükleyici özelliği gösterir.
• Potasyum nitrat-KNO3 camın saydamlığını giderir.

Cam Yapımında En Çok Kullanılan Malzemeler

Kireç:

Kireç-Kalsiyum oksit-CaO, yapı malzemelerinde yapıştırıcı ve sertleştirici özelliğinden dolayı kullanılır. Halk arasında kireç ya da sönmemiş kireç olarak da bilinir. Kirecin ham maddesi kireç taşı olup, kireç taşı bileşimi %90 kadar CaCO3 içerir. Kireç taşı içinde çoğunlukla kil bulunur. Kireçler içindeki kil miktarına göre, havada ya da hem havada hem suda katılaşabilirler.

• Kireç eldesi: Kireç taşının-CaCO3 ısıtılması ile sönmemiş kireç (CaO) eldesi; CaCO3(k) → CaO(k) +CO2 Sönmemiş kirece (CaO) su eklenmesi ile sönmüş kireç (Ca(OH)2 ) eldesi, CaO(k) + H2 O → Ca(OH)2 (k) + ısı

Sönmemiş kirecin bağlayıcı özelliği bulunmaz.

• Bu nedenle sönmemiş kirecin söndürülmesi gerekir. Kirecin sertleşmesi, CO2 ile olur.
• Sönmüş kireç (CaCO3) CO2 ile tepkimeye girerek, kireç taşına (CaCO3) dönüşür.

Çimento; doğal kireç taşı ile kil karışımının yüksek sıcaklıkta ısıtıldıktan sonra, öğütülmesi sonucu elde edilen bir bağlayıcı malzemedir.

• Harç agrega (kum, çakıl) gibi maddelerin çimento ya da kireç gibi bir bağlayıcının su ile karıştırılmasından elde edilen hamur kıvamındaki karışımına denir.
• Harcın sertleşmesi: Ca(OH)_2(K) + CO_2(g) → CaCO_3(K) + H₂O_(S)

Agrega tanelerinin boyutuna göre, harçlar; ince harç, orta harç, kaba harç şeklinde sınıflandırılır. Çimento ile elde edilen harca beton denir. Beton binaların iskeletinin oluşturulmasında taşıyıcı eleman, duvarlara uygulamasında ise dekoratif eleman olarak uygulanır. Harcın yüzey üzerinde tutunmasına sıva denir.

KİL

Kil doğada bol miktarda bulunan minerallerden biridir. Kili meydana getiren maddeler, sulu alüminyum silikatler diyebiliriz.

• Kil: mAl₂O₃, nSiO₂, pH₂O genel kimyasal bileşim formülü ile ifade edilir. Çok saf olduğu zaman hidrate Alümin Silikat- Kaolinit adını alır.
• Kaolinit’in kimyasal formülü, Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O şeklindedir.
• Kilin yapısı itibarıyla su çekme özelliği bulunur.
• Yapısındaki nem uzaklaştırılırsa kil yapı malzemesi olarak kullanılabilir.
• Sanayide yaygın olarak kullanılmasının sebebi, plastik özelliği alabilmesidir. Kolay şekil verilebilir. Kil ayrıca şeklini koruyabilme, doğal renge sahip olma, büzüşme gibi özelliklere de sahiptir.

Silisyum

Silisyum, yeryüzünde en çok bulunan elementlerden biridir. Yarı iletken özelliğe sahip olan silisyum, doğada, ormanda, doğal yaşamda fazlasıyla bulunur. Kolay ulaşılabilir bir element olmasının yanı sıra, transistör, diyot ve hafızalarda kullanılabilmesinin pratik, hızlı oluşu, entegre devrelerin ve bilgisayarların, silisyum teknolojisi üzerine inşa edilmesini sağlamıştır.

• Si, simgesi ile gösterilir. Atom numarası, proton sayısı, 14’tür.
• Oda sıcaklığında katı haldedir.
• 4A grubunda 3. periyotta yer alır. Nötr haldeki elektron dizilimi ilk katmanda 2, ikinci katmanda 8, üçüncü katmanda 4’tür. (4 adet valans elektron)
• Nötr halde olup, kararlı yapıya sahip değildir.
• Yoğunluğu 2,33 g/cm3’tür. Diyamanyetik bir elementtir.
• Bağıl atom kütlesi (izotoplarının ortalama kütlesi) 28,0855’tir.
• Kararlı hale geçerken aldığı yükler nedeniyle ve ayrıca doğada çok bulunduğu için yakın gelecekte tıpkı karbon selektörleri olduğu gibi silisyum selektörleri de olacağı tahmin edilir.

Camın ana maddesi kumdur. Bunun ana sebebiyse, camın asıl hammaddesi olan silisyumun kumda, özellikle de deniz kumunda fazla bulunmasıdır.

• Silisyumun ilk keşfi 1824 yılında İsveçli kimyager Jöns Jakob Berzelius tarafından gerçekleşmiştir. Silisyumun bu tarihten önce de kullanıldığı bilinir, fakat ilgili elementin ne olduğu yönünde kesin bir bilgi o zamanlarda mevcut değildir.
• Silisyum doğada Siliksat asidi (mSiO2.nH2O) ve tuzları halinde bulunur.
• Yerkabuğunun yaklaşık %25,7’si silisyum elementinden oluşur.
• Oksijenden sonra bileşikleri halinde en fazla bulunan elementtir.
• Silisyum dioksit (SiO2) doğada kum ve kuartz şeklinde yer alır.

Silisyumun iki tane allotropu bulunur:

• Bunlardan birincisi saf kristal silisyumdur. Saydam olmayan koyu gri renkli, parlak sert ve kırılgan olup örgü yapısı elmasa benzer.
• İkincisi amorf silisyumdur. Rengi koyu kahve olan amorf silisyum, tane büyüklüğü nedeniyle kristal silisyumdan ayırt edilir. Ayrıca kolay reaksiyon gösterir.

Saf olarak silisyum, silisyum dioksitin (SiO2) kok kömürü (grafit) ile elektrikli fırında indirgenmesi sonucunda elde edilir.

• Gereğinden fazla karbon kullanıldığı takdirde ise silisyum karbür (SiC) meydana gelir.
• SiO2 + 2C → Si + 2CO Silisyum klorür (SiCl4) önce fraksiyonlu destilasyon yöntemi ile saflaştırılır.
• Daha sonra hidrojen ile indirgenir, böylelikle çok saf silisyum elde edilir.
• Silisyum yarı iletken bir elementtir.
• SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl

Cam Türleri ve Kullanım Alanları

• Soda-Kireç Camı, Adi Cam: Yumuşama sıcaklığı düşük olur. Sıcaklık değişimine karşı dirençsiz ve ışık geçirgenliği yüksek camlardır.
• Kurşun Camı-Kristal Camı: Soda kireç camında kireç yerine PbO’in kullanıldığı camlardır. Yumuşama özelliği adi camdan düşük, işlenebilme özelliği, ışığı kırıp yansıtabilme özelliği yüksektir.
• Borosilikat Camları: B₂O₃’ ün kullanıldığı camlar olup, yumuşama sıcaklıkları çok yüksektir. Aynı zamanda sıcaklık değişimine ve kimyasallara karşı çok dayanıklıdır.
• Lamine Camlar: İki ya da daha fazla cam arasına polimer konularak üretilen camlardır. İlgili işlem cama kırılma esnasında dağılmama özelliği sağlar.
• Alüminosilikat Cam: Bileşiminde %20’den fazla Al₂O₃ içeren camlardır. Laboratuvar termometresi, beherglas gibi alevle doğrudan temas eden malzemelerin yapımında tercih edilir.
• Silisyum Camları: %96 ve üzerinde SiO₂ içeren camlara, silisyum camları denir. Çok saydam özelliğe sahip camlar, UV ve mikrop öldürücü lambaların yapımında kullanılırlar. Maliyetleri oldukça yüksektir.