Химия вокруг нас - Юрий Кукушкин 6 стр.

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 - CaCO3.

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

CaCO3 → CaO + CO2

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

В стекло вместо Na2O с успехом можно вводить K2О, а CaO 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 Al2O3, 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 B2O3 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. В табл. 1 приведен состав (в%) некоторых типичных промышленных стекол.

Таблица 1

Сода - сырье относительно дорогое и имеющее огромный спрос со стороны различных отраслей народного хозяйства. Поэтому в качестве источника Na2O при варке стекла используют также природный минерал Na2SO4. В СССР его огромные залежи имеются на месте бывшего залива Кара-Богаз-Гол (рядом с Каспийским морем). Однако в этом случае варка стекла требует более высоких температур. Кроме того, в шихту необходимо вводить уголь для восстановления серы в соответствии с уравнением

2Na2SO4 + С → 2Na2O + 2SO2↑ + CO2↑

При варке стекла первым плавится оксид щелочного металла, после чего в этом расплаве начинают растворяться зерна кварца и известняка, вступая в химическое взаимодействие. Поэтому чем больше в стекле оксидов щелочных металлов, тем при меньших температурах оно плавится. В Древнем Египте, когда техника получения высоких температур была несовершенна, в стеклоделии преобладали рецепты с повышенным содержанием оксидов щелочных металлов (до 30%) и малым содержанием извести (около 3...5%). В эллинистическую эпоху, с усовершенствованием техники получения высоких температур, содержание оксидов щелочных металлов снижается до 16...17%, а извести повышается до 10%. Естественно, что такие стекла стали более стойкими к воде. В настоящее время варка стекла проводится при температуре 1400...1500°C в течение нескольких часов. Процесс варки стеклоделы делят на три стадии: провар шихты, осветление (удаление "мошки" и "свилей"), студка - осторожное охлаждение.

Мошкой стеклоделы называют мелкие пузырьки газа, распределенные по всей массе стекла. Ее удаление из жидкой массы производят "бурлением" при помощи деревянной чурки или обыкновенного сырого картофеля. Помещенные в жидкое стекло, они дают обильное выделение газов, которые и очищают от мошки всю массу. Ее наличие в изделиях считается браком. Мошка особенно недопустима в оптических стеклах.

Стекольным свилем называют нитеобразные потоки, подобные тем, которые можно наблюдать в процессе растворения сахара в воде при медленном перемешивании. Свиль - это видимая граница двух соседних участков стекольной массы. Наличие свилей свидетельствует о плохой перемешанности стекольной массы при варке, т.е. о его низком качестве.

Охлаждение стекла, а точнее изделия из него проводят медленно, чтобы избежать в нем напряжений. При быстром охлаждении стекла поверхностные слои тела затвердевают и могут иметь температуру, близкую к комнатной, а внутренние части, вследствие низкой теплопроводности, могут иметь температуру до 1000°C. Поскольку внутренние части при охлаждении сжимаются, а наружные уже не уменьшаются в размере, в них возникают высокие поверхностные сжимающие напряжения. Внутренние слои, наоборот, испытывают высокие растягивающие напряжения. Такое стеклянное тело называют "закаленным". Закаленное стекло обладает высокой механической прочностью. Однако у него есть и недостатки. При нарушении поверхностного слоя (например, нанесение царапины), т.е. при нарушении сжимающих и растягивающих сил, закаленное стекло разлетается вдребезги.

При медленном охлаждении стеклянного тела растягивающие и сжимающие напряжения не возникают. Такое стекло называют "отожженным". Мелкие изделия, например столовая посуда, отжигаются (охлаждаются) в течение нескольких часов. Крупные и прецизионные изделия, например линзы астрономических объективов диаметра 1 м и более, отжигаются в течение нескольких месяцев.

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.

Бутылочное стекло низкого сорта, как правило, имеет окраску, которая зависит от присутствия в нем ионов Feи Fe. Стекольное сырье трудно очищается от железа и поэтому в дешевых сортах оно всегда присутствует. Ионы Fe хорошо поглощают лучи света с длиной волны примерно 600 ммк (желтые и красные) и, следовательно, окрашивают стекло в дополнительный голубой цвет. Ионы Fe поглощают лучи с длиной волны 500 ммк (синие и фиолетовые), окрашивая стекло в желтоватый цвет. Важно отметить, что ионы Fe в области видимого света имеют удельное поглощение, примерно в 10 раз большее, чем ионы Fe. Поскольку в стекле одновременно содержатся как ионы Fe, так и ионы Fe, они и придают стеклу зеленоватую окраску (бутылочный цвет).

Существуют химические и физические способы обесцвечивания стекла. В химическом способе стремятся все содержащееся железо перевести в Fe. Для этого в шихту вводят окислители - нитраты щелочных металлов, диоксид церия CeO2, а также оксид мышьяка (III) As2O3 и оксид сурьмы (III) Sb2O3. Химически обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов Fe) 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.

Следует также отметить, что окрашенное стекло иногда предохраняет содержимое бутылок от нежелательного фотохимического воздействия. Поэтому окраску бутылочного стекла иногда специально усиливают.

Одним из важнейших свойств стекла является прозрачность. Однако в ряде случаев стеклу специально придают непрозрачность путем его "глушения". Это процесс, в результате которого стекло становится непрозрачным. Вещества, способствующие помутнению стекла, называют глушителями. Глушение происходит вследствие распределения по всей массе стекла мельчайших кристаллических частиц. Они представляют нерастворившиеся частицы глушителя или частицы, выделившиеся из жидкой массы при охлаждении стекла. Эти частицы обычно прозрачны, но их показатель преломления отличается от показателя преломления стекла. Поэтому падающий на них луч отклоняется от прямолинейного направления и стекло перестает быть прозрачным. В далеком прошлом в качестве глушителей стекла использовали костяную муку, содержащую фосфат кальция Ca3(PO4)2, а также оксиды олова SnO, мышьяка As2O3 и сурьмы Sb2O3. В настоящее время для этой цели применяют криолит Na3[AlF6], плавиковый шпат CaF2 и другие фторидные соединения.

Сильно заглушенное стекло (белого цвета) называют молочным. Для его изготовления чаще всего используют криолит. Молочное стекло используют главным образом для изготовления осветительной арматуры.

Несмотря на то что возраст стеклоделия оценивается в 6 тыс. лет, прозрачное и бесцветное стекло люди научились варить лишь на пороге новой эры. До этого производилось непрозрачное окрашенное в различные тона стекло и из него изготавливались главным образом мелкие изделия: бусы, браслеты, пуговицы, кольца, печатки, шахматные фигуры и др. Стеклодувы античной эпохи начали широко применять холодную обработку стекла: рельефную резьбу, гравировку, шлифовку. Как только было получено прозрачное стекло, стеклоделы стали стремиться изготовить из него оконные пластины. Ученые предполагают, что оконное стекло вначале было цветным. Это объясняется тем, что бесцветное стекло получить было весьма непросто, так как сырье обычно содержит различные примеси, которые придают стеклу окраску. Особенно часто в сырье присутствуют соединения железа. Получение пластин для остекления окон оказалось весьма непростым делом. Изготовление полых изделий довольно сложной формы путем выдувания для человека было более простой задачей, чем получение листового стекла. Эта задача была решена лишь к концу средневековья. При раскопках Помпеи, погребенной под пеплом вулкана Везувия в 79 г. н.э., было установлено, что в очень редких случаях в окна были вставлены пластины стекла, которые были довольно толстыми. По-видимому, тонкое листовое стекло итальянские стеклоделы еще не научились делать.

Считают, что метод выдувания, так же как и способ варки прозрачного стекла, был открыт в период смены летоисчисления. Поводов для его открытия было предостаточно. Для получения высоких температур в металлургии был уже известен способ дутья. При варке стекла, требующей также высоких температур, дутье, в частности, проводилось при помощи легких человека. Для этого использовались длинные и полые тростниковые трубки, конец которых обмазывался глиной. Последнее было необходимо для того, чтобы трубка не загоралась. Таким образом, для открытия метода выдувания стеклянных изделий были созданы все предпосылки. Нужен был только случай, когда конец трубки прикоснется к жидкой стекольной массе. Если это произошло, то, продолжая дуть в трубку, человек должен получить что-то похожее на пузырь. Следующим шагом было помещение выдуваемого "пузыря" в деревянную форму, и полое стеклянное изделие почти готово. Как здесь не вспомнить хорошо известное изречение, что "все гениальное просто".

Вероятно, метод выдувания изделий из стекла был изобретен в различных местах, где культивировалось стеклоделие, примерно в одно и то же время. Однако принято считать, что способ выдувания был изобретен в Александрии в I в. до н.э. На первый взгляд, удивительно, что люди научились делать стеклянные изделия сложной полой конфигурации, но не умели делать листовое стекло. Однако для этого были свои весьма основательные технические затруднения.

Оконное стекло. Впервые оконное стекло, хотя и весьма несовершенное, появилось на рубеже старой и новой эры летоисчисления у римлян. Однако после падения Римской империи секреты его производства были утеряны и в начальный период средневековья в Европе оконного стекла не знали. Естественно возникает вопрос, а что же было в окнах? Часто окна закрывались сплошными деревянными ставнями. В теплые дни они открывались, впуская дневной свет внутрь помещения. В иное время окна закрывались и помещение освещали свечами. В России свечи, которые были дороги, часто заменялись горящей лучиной.

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.

Как уже было сказано, римляне научились изготовлять оконное стекло в конце старой эры. Они делали это путем отливки и раскатывания жидкого стекла в форму в виде противня, который изготавливался из глины. Отливки извлекались из формы еще в горячем виде, пока стекло сохраняло пластичность. Таким способом получали оконное стекло толщиной около 10 мм и площадью до 0,5 м. Поскольку прилегающая к форме сторона листа оказывалась шероховатой, то стекло не было прозрачным.

Такое стекло находили при раскопках в западноевропейских колониях Рима, а также на Востоке вплоть до Черноморского побережья. Как уже было отмечено, после распада Римской империи это ремесло пришло в упадок и способ производства был забыт и никогда не возобновлялся. Новый способ производства оконного стекла был разработан несколько столетий спустя, т.е. в средние века. Этот способ принципиально отличался от древнеримского, так как получался не отливкой, а выдуванием. Вначале выдували шар, который раскатыванием на плитке и размахиванием в воздухе превращался в подобие большой ампулы. После отрезания верхней и нижней части получался цилиндр. Последний разрезался вдоль твердым минералом и на раскаленной глиняной плите разглаживался в лист деревянной гладилкой. Стекло получалось довольно тонким, хотя и небольшого размера. Сторона, прилегавшая к плите при разглаживании, также получалась шероховатой, а значит, стекло опять же было непрозрачным.

На территории древнеславянского государства археологи многократно находили фрагменты стеклянных кругов диаметром 200...250 мм с хорошо заделанными кромками. Ученые сходятся во мнении, что эти стеклянные круги служили для остекления окон крупных общественных зданий, например храма Киевской Софии и других церквей домонгольской Руси. Считают, что способ их производства сводился к следующему. В форме выдувался сосуд, похожий на конусообразный графин. Дно этого "графина" обрезалось и кромка завертывалась.