Стекло

История стекла уходит в глубо­кую древность. Известно, что в Египте и Месопотамии его умели делать уже 6000 лет назад. Вероятно, стекло начали изготавливать все же позже, чем первые керамические изделия, так как для его производства требовались более высокие температуры, чем для обжига глины. Если для простейших керами­ческих изделий было достаточно только глины, то в состав стекла необходимо минимум три компонента.

В стекловарении используют только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее ко­личество загрязнений не превышает 2—3 %. Особенно нежелательно присутствие железа, которое даже в нич­тожных количествах (десятые доли %) окрашивает стекло в зеленоватый цвет. Если к песку добавить соду Na2CO3, то удается сварить стекло при более низкой температуре.(на 200—300°). Такой расплав будет иметь менее вязкий (пузырьки легче удаляются при варке, а изделия легче формуются). Но! Такое стекло растворимо в воде, а изделия из него подвергаются разрушению под влиянием атмосферных воздействий. Для придания стеклу нерастворимости в воде в него вводят третий компонент — известь, известняк, мел. Все они характе­ризуются одной и той же химической формулой — СаСО3.

Стекло, исходными компонентами шихты которого яв­ляется кварцевый песок, сода и известь, называют натрий-кальциевым. Оно составляет около 90 % получае­мого в мире стекла. При варке карбонат натрия и карбонат кальция разлагаются в соответствии с урав­нениями:

Na2CO3 → Na2O + CO2

СаСОз → СаО + СО2

В результате в состав стекла входят оксиды SiO2, Na2O и СаО. Они образуют сложные соединения — силикаты, которые являются натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты.

В стекло вместо Na2O с успехом можно вводить К2О, а СаО может быть заменен MgO, PbO, ZnO, BaO. Часть кремнезема можно заменить на оксид бора или оксид фосфора (введением соединений борной или фосфорной кислот). В каждом стекле содержится немного глинозема Аl2О3, попадающего из стенок стекловаренного сосуда. Иногда его добавляют специально. Каждый из перечис­ленных оксидов обеспечивает стеклу специфические свойства. Поэтому, варьируя этими оксидами и их коли­чеством, получают стекла с заданными свойствами. Напри­мер, оксид борной кислоты В2О3 приводит к понижению коэффициента теплового расширения стекла, а значит, делает его более устойчивым к резким температурным изменениям. Свинец сильно увеличивает показатель преломления стекла. Оксиды щелочных металлов увели­чивают растворимость стекла в воде, поэтому для хими­ческой посуды используют стекло с малым их содержа­нием.

Окраску стекла осуществляют введением в него окси­дов некоторых металлов или образованием коллоидных частиц определенных элементов. Так, золото и медь при коллоидном распределении окрашивают стекло в красный цвет. Такие стекла называют золотым и медным рубином соответственно. Серебро в коллоидном состоянии окра­шивает стекло в желтый цвет. Хорошим красителем является селен. В коллоидном состоянии он окрашивает стекло в розовый цвет, а в виде соединения CdS • 3CdSe — в красный. Такое стекло называют селеновым рубином. При окраске оксидами металлов цвет стекла зависит от его состава и от количества оксида-красителя. Например, оксид кобальта(II) в малых количе­ствах дает голубое стекло, а в больших — фиолетово-синее с красноватым оттенком. Оксид меди (II) в натрий-кальциевом стекле дает голубой цвет, а в калиево-цинковом — зеленый. Оксид марганца (II) в натрий-кальциевом стекле дает красно-фиолетовую окраску, а в калиево-цинковом — сине-фиолетовую. Оксид свинца (II) усиливает цвет стекла и придает цвету яркие оттенки.

Существуют химические и физические способы обес­цвечивания стекла. В химическом способе стремятся все содержащееся железо перевести в Fe3+. Для этого в шихту вводят окислители — нитраты щелочных металлов, шиоксид церия СеО2, а также оксид мышьяка (III) AS2O3 и оксид сурьмы(III) Sb2O3. Химически обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов Fe3+) в желтовато-зеленоватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При физическом обесцвечивании в состав стекла вводят «красители», т. е. ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске, создаваемой ионами железа, — это оксиды никеля, ко­бальта, редкоземельных элементов, а также селен. Диок­сид марганца MnO2 обладает свойствами как химиче­ского, так и физического обесцвечивания. В результате двойного поглощения света стекло становится бесцвет­ным, но его светопропускание понижается. Таким обра­зом, следует различать светопрозрачные и обесцвечен­ные стекла, поскольку эти понятия различны.

В некоторых дворцах, парадных зданиях и культовых сооружениях в Европе в мелкие ячейки в оконных прое­мах вставляли пластинки слюды, которые ценились очень дорого. В домах простых людей для этой цели использо­вались бычий пузырь и промасленная бумага или ткань. В середине XVI в. даже во дворцах французских королей окна закрывались промасленным полотном или бумагой. Лишь в середине XVII в. при Людовике XIV в окнах его дворца появилось стекло в виде маленьких квадра­тиков, вставленных в свинцовый переплет. Листовое стек­ло большой площади долго не умели получать. Поэтому даже в XVIII в. застекленные окна имели мелкий пере­плет. Обратите внимание на реставрированные здания петровской эпохи, например на Меньшиковский дворец в Санкт-Петербурге. Однако вернемся к истокам производ­ства оконного стекла.

В конце средневекового периода в Европе начали широко применять «лунный» способ изготовления листо­вого стекла. В его основу также был положен метод выдувания. При этом способе вначале выдувался шар, затем он сплющивался, к его дну припаивалась ось, а около выдувательной трубки заготовка обрезалась. В результате получалось подобие вазы с припаянной ножкой-осью. Раскаленная «ваза» вращалась с большой скоростью вокруг оси и под действием центробежной силы превращалась в плоский диск. Толщина такого диска была 2—3 мм, а диаметр доходил до 1,5 м. Далее диск отделялся от оси и отжигался. Такое стекло было гладким и прозрачным. Характерная его особенность — наличие в центре диска утолщения, которое специалисты называют «пупком». Лунный способ производства сделал листовое стекло доступным для населения. Однако на смену ему уже в начале XVIII в. пришел другой более совершенный «халявный» способ, который использовался во всем мире почти в течение двух столетий. По сущест­ву, это было усовершенствование средневекового способа выдувания, в результате которого получался цилиндр. «Халявой» называли формируемую массу стекла на кон­це выдувной трубки. Она доходила до 15—20 кг и из нее в итоге получались листы стекла площадью до 2—2,5 м2.

Мелкие стеклянные изделия делают матовыми обра­боткой фтороводородной (плавиковой) кислотой. Послед­няя взаимодействует с диоксидом кремния, находящимся на поверхности, с образованием летучего тетрафторида кремния SiF4 в соответствии с уравнением

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O

Фотохромные стекла изменяют окраску под действием излучения. В настоящее время получили распростра­нение очки со стеклами, которые при освещении темнеют, а в отсутствие интенсивного освещения вновь становятся бесцветными. Такие стекла применяют для защиты от солнца сильно остекленных зданий и для поддержания постоянной освещенности помещений, а также на транс­порте. Фотохромные стекла содержат оксид бора В2О3, а светочувствительным компонентом является хлорид се­ребра AgCl в присутствии оксида меди(I) Cu2O. При освещении происходит процесс