Kaca Borosilikat Tahan Panas: Nota Ringkas Kimia Tingkatan 4

Periuk kaca dan radas makmal seperti bikar tahan panas kerana diperbuat daripada kaca borosilikat, iaitu kaca silika yang mengandungi boron oksida, B₂O₃. Kaca ini mempunyai pekali pengembangan terma yang rendah, jadi ia hanya mengembang sedikit apabila dipanaskan dan tidak mudah retak apabila suhunya berubah secara mendadak. Inilah jawapan kepada soalan "Kenapa periuk kaca tahan panas?" yang dibincangkan dalam Kelas LIVE Aster Edu.

Konsep ringkas

Topik ini terletak dalam Bab 8, Bahan Buatan dalam Industri, di bawah subtopik Komposisi Kaca dan Kegunaannya. Komponen utama hampir semua kaca ialah silika, SiO₂, iaitu sebatian utama dalam pasir. Jenis kaca berbeza kerana bahan lain yang dicampurkan bersama silika, dan bahan tambahan inilah yang mengubah sifat kaca.

Apabila pepejal dipanaskan, zarah-zarahnya bergetar dengan lebih kuat dan pepejal itu mengembang. Hubungan antara suhu dan tenaga kinetik zarah juga dibincangkan dalam nota kesan suhu terhadap kadar tindak balas. Masalah berlaku apabila kaca dipanaskan secara tidak sekata. Dasar periuk yang terkena api menjadi panas dengan cepat, tetapi dindingnya masih sejuk. Bahagian yang panas mengembang lebih banyak daripada bahagian yang sejuk, lalu terhasil tegasan di dalam kaca. Jika tegasan itu terlalu besar, kaca retak.

Kaca borosilikat mengatasi masalah ini kerana pengembangannya kecil. Pekali pengembangan linear kaca borosilikat jenis makmal hanya kira-kira 3.3 × 10⁻⁶ per °C, berbanding kira-kira 9 × 10⁻⁶ per °C bagi kaca soda kapur. Bagi kenaikan suhu yang sama, kaca borosilikat mengembang lebih kurang satu pertiga sahaja berbanding kaca soda kapur, jadi tegasannya kecil dan kaca tidak mudah retak.

Kaca borosilikat mengandungi silika dan sekurang-kurangnya 5% boron oksida, B₂O₃, bersama sedikit oksida lain seperti natrium oksida dan aluminium oksida, Al₂O₃. Selain tahan haba, kaca ini juga tahan tindakan banyak bahan kimia. Sebab itu kebanyakan bikar, kelalang dan tabung didih di makmal dibuat daripada kaca borosilikat.

Jadual di bawah membandingkan kaca borosilikat dengan kaca soda kapur dan kaca silika terlakur, seperti yang dipelajari dalam KSSM.

Kaca soda kapur ialah jenis yang paling biasa, iaitu kira-kira 90% daripada kaca yang dihasilkan. KSSM turut menyenaraikan kaca plumbum, yang mengandungi plumbum(II) oksida. Kaca ini berkilau kerana indeks biasannya tinggi dan digunakan untuk prisma serta barang kristal hiasan, tetapi ia tidak tahan suhu tinggi.

Cara menjawab soalan SPM

Soalan tentang kaca biasanya memberi satu kegunaan atau satu sifat, kemudian meminta anda memilih jenis kaca. Cari kata kunci berikut:

• Tahan haba, tahan perubahan suhu mendadak, radas makmal, peralatan memasak: kaca borosilikat.
• Murah, mudah dibentuk, botol, tingkap: kaca soda kapur.
• Takat lebur sangat tinggi, kanta teleskop: kaca silika terlakur.
• Indeks biasan tinggi, prisma, barang kristal: kaca plumbum.

Untuk soalan "Terangkan", tulis rantaian komposisi, sifat dan kegunaan. Contohnya, kaca borosilikat mengandungi boron oksida, jadi pekali pengembangan termanya rendah. Oleh itu, ia tidak retak apabila dipanaskan secara mendadak dan sesuai untuk periuk.

Dalam soalan objektif, hapuskan pilihan salah dengan alasan yang jelas. Kaca soda kapur mudah retak apabila dipanaskan secara mendadak. Kaca silika terlakur memang tahan haba, tetapi terlalu mahal dan sukar dibentuk untuk dijadikan periuk. Kaca plumbum pula tidak tahan suhu tinggi.

Contoh soalan dan jawapan

Soalan: Dua bekas kaca, P dan Q, diisi dengan air sejuk dari peti sejuk, kemudian terus dipanaskan di atas nyalaan. Bekas P diperbuat daripada kaca soda kapur, manakala bekas Q diperbuat daripada kaca borosilikat.

• (a) Ramalkan bekas yang lebih mungkin retak. [1 markah]
• (b) Terangkan jawapan anda di (a). [2 markah]
• (c) Namakan satu bahan dalam komposisi kaca Q yang tiada dalam kaca P. [1 markah]
• (d) Namakan satu radas makmal yang dibuat daripada kaca Q dan berikan satu sebab. [2 markah]

Jawapan:

• (a) Bekas P.
• (b) Kaca soda kapur mempunyai pekali pengembangan terma yang lebih tinggi. Apabila dasar bekas dipanaskan dengan cepat, bahagian itu mengembang lebih banyak daripada bahagian yang masih sejuk, lalu tegasan yang terhasil meretakkan kaca. Kaca borosilikat mengembang sedikit sahaja, jadi tegasannya kecil.
• (c) Boron oksida, B₂O₃.
• (d) Bikar atau kelalang kon, kerana radas ini selalu dipanaskan dan perlu tahan perubahan suhu serta bahan kimia.

Kesilapan biasa

• Menjawab "kerana takat lebur tinggi" sahaja. Kaca biasa pun tidak melebur semasa memasak. Ia retak kerana pengembangan yang tidak sekata, jadi kata kuncinya ialah pekali pengembangan terma yang rendah.
• Mengelirukan kaca borosilikat dengan kaca silika terlakur. Kaca silika terlakur hanya mengandungi silika, manakala kaca borosilikat mengandungi boron oksida.
• Menulis "boron" sahaja. Tulis nama sebatian yang lengkap, iaitu boron oksida, B₂O₃.
• Menyamakan tahan panas dengan tidak boleh pecah. Kaca borosilikat jauh lebih tahan perubahan suhu, tetapi masih boleh retak jika terhentak atau mengalami perubahan suhu yang melampau.

Latihan cepat

1. Namakan jenis kaca untuk membuat botol minuman. Jawapan: Kaca soda kapur.
2. Apakah bahan dalam kaca borosilikat yang tiada dalam kaca soda kapur? Jawapan: Boron oksida, B₂O₃.
3. Kenapa kaca silika terlakur tidak digunakan untuk membuat periuk walaupun sangat tahan haba? Jawapan: Ia sangat mahal dan sukar dibentuk kerana takat leburnya sangat tinggi.

Jika anda mahu berlatih soalan seperti ini bersama guru, kelas Kimia Tingkatan 4 Sains Tulen Aster Edu dalam jadual 2027 berlangsung secara LIVE pada malam Khamis, 8.00 hingga 9.00 malam. Lihat jadual kelas Tingkatan 4 Sains Tulen.

Soalan lazim

Kenapa periuk kaca tidak retak apabila dipanaskan?

Periuk kaca yang tahan panas diperbuat daripada kaca borosilikat. Pekali pengembangan termanya rendah, jadi bahagian yang panas hanya mengembang sedikit berbanding bahagian yang sejuk. Tegasan dalam kaca kecil, maka kaca tidak retak.

Apakah beza kaca borosilikat dengan kaca biasa?

Kaca biasa di rumah, seperti botol dan kaca tingkap, ialah kaca soda kapur yang dibuat daripada silika, soda dan batu kapur. Kaca borosilikat pula mengandungi boron oksida, mengembang lebih kurang satu pertiga sahaja berbanding kaca soda kapur dan lebih tahan bahan kimia.

Bolehkah semua bekas kaca di dapur dipanaskan terus di atas api?

Tidak. Banyak bekas kaca dibuat daripada kaca soda kapur, dan kaca borosilikat pun ada hadnya. Semak label pengeluar untuk mengetahui sama ada bekas itu sesuai untuk ketuhar, dapur atau peti sejuk.