Что такое стекло?

Основные свойства стекла

Наиболее важным свойством стекла является его прозрачность. Мы встретим его повсюду там, где лучи света должны проникать через препятствие и где, наоборот, требуется отделить какое-нибудь пространство от его окружения. Через оконное стекло нам желательно иметь возможность видеть внешние предметы, и, с другой стороны, оно должно дать нам защиту от ветра и дождя. Свет лампочек должен освещать не только внутреннее пространство самой лампочки, но, проникая через стекло, он должен освещать и всё помещение. Химик всё время хочет видеть то, что совершается в его колбах и ретортах. Линзы и призмы преломляют и отклоняют лучи света в самых разнообразных направлениях и позволяют человеческому глазу увидеть при помощи микроскопов и телескопов самые малые и самые отдалённые предметы.

Однако в стекле мы ценим не только его прозрачность. Его неактивность по отношению к химическим реактивам и его устойчивость по отношению почти ко всем веществам значительно способствовали его распространению. Мы ожидаем от нашего оконного стекла, что оно не растворится в каплях дождя. Равным образом, стекло винной бутылки не должно вступать в реакцию с мозельвейном. Наконец, стекло вовсе не так чувствительно к механическому воздействию, как это кажется на первый взгляд. Правда, оно плохо сопротивляется внезапно оказанному механическому воздействию, как толчку или удару, однако при медленном действии механических сил стекло выдерживает очень высокие давления и натяжения. Толстые стёкла сравнительно мало поддаются сгибанию, в то время как тонкие стеклянные нити могут проявлять крайнюю эластичность и в настоящее время перерабатываются на ткани.

Небьющегося стекла не существует. То, что приобрело такое название, например плексиглаз, представляет собой органическое синтетическое вещество, вроде целлофана или целлулоида, которые, правда, не разбиваются с образованием осколков, но зато они мало сопротивляются температуре и проявляют незначительную твёрдость, так что струя мелких песчинок с течением времени делает поверхность такого стекла шероховатой и матовой. Для автомобилей можно изготовлять так называемое безопасное стекло, которое, хотя и разбивается, как обыкновенное стекло, но при этом не образует острых осколков и при катастрофе не может поранить водителя. Это — обыкновенное стекло, которое путём особой обработки сделано безосколочным благодаря тому, что к прозрачному целлулоиду прижимаются две тонкие стеклянные пластинки. Этот целлулоидный слой и сдерживает осколки стекла при изломе стеклянных пластинок.

Необычные свойства стекла

Следует упомянуть ещё об одном свойстве стекла, которое возникает только благодаря применяемому в настоящее время методу его изготовления:

Переход от одного агрегатного состояния в другое, например из твёрдого в жидкое, наступает внезапно при какой-нибудь определённой температуре. Для льда точка плавления наступает при 0°. Когда эта температура будет достигнута, то сразу твердая равномерно построенная кристаллическая решётка, по узлам которой были расположены ионы или молекулы, нарушается, и твёрдое вещество переходит в беспорядочное, жидкое агрегатное состояние. Совершенно так же внезапно протекает и противоположный процесс — замерзание. В этом случае мы говорим о точке замерзания или точке кристаллизации, наступающей при 0°С. При этой температуре энергия молекул оказывается в такой сильной степени пониженной, что они находятся в пределах области действия более значительных сил взаимного притяжения и включаются в кристаллическую решетку. И в этом случае изменение жидкого агрегатного состояния в твёрдое происходит без постепенного перехода.

Иначе обстоит дело со стеклом. Мы можем его нагревать и установим при этом, что оно не перейдёт внезапно в жидкое состояние. Мы даже не в состоянии указать, при какой именно температуре достигается жидкое агрегатное состояние. Чем выше нагревают стекло, тем оно становится мягче, пока, наконец, оно может быть названо жидким, причём и после этого ещё вязкость, тягучесть будет очень заметно понижаться по мере повышения температуры. Если мы в нашем первом примере могли указать определённую, точно установленную точку плавления, то для стекла речь могла бы идти в лучшем случае об «интервале размягчения». Соответственным образом дело обстоит и при охлаждении. Твёрдость стекла при понижении температуры всё более и более повышается и наконец достигает своей величины, известной для обыкновенной температуры.

В твёрдом состоянии стекло не является кристаллическим веществом, но веществом аморфным, т.е. его молекулы находятся в беспорядочном и неорганизованном по отношению друг к другу положении. Стекло при охлаждении в некотором роде как бы «забывает», что оно должно кристаллизоваться. В этом смысле стекло можно рассматривать как бы в качестве переохлаждённой жидкости. Ввиду того что молекулы стекла не расположены неподвижно по узлам кристаллической решётки, они в некоторой небольшой степени отличаются подвижностью. Твёрдое стекло способно поэтому весьма медленно изменять свою форму. Если мы установим вертикально длинную стеклянную палочку и оставим её на долгое время стоять неподвижно, то она постепенно согнётся, ибо молекулы будут пытаться уклониться от действия сил, непрерывно действующих на них в одном и том же направлении.

Стекло также может и кристаллизоваться, однако это будет процессом нежелательным, ибо при этом оно тускнеет. При слишком долгом нагревании стекла до более высокой температуры таким образом, чтобы оно оставалось мягким, ионы его становятся более подвижными, и в их распоряжении оказывается достаточное время, чтобы занять определённые места в кристаллической решётке.

Эти своеобразные явления, впервые изученные при исследовании стекла, приобрели характерное название «стекловидного состояния», которое применяют ко всем веществам, отличающимся аналогичными свойствами.

Путём соответствующего выбора исходных материалов удалось получить множество самых разнообразных сортов стекла, каждое из которых для целей их применения обнаруживает наиболее благоприятные свойства. Оконное стекло будет иметь другие свойства по сравнению, например, с оптическим стеклом, которое должно отличаться особенно хорошей лучепреломляющей способностью. Стекло, применяемое в лабораториях, должно отличаться особой устойчивостью к действию химических реактивов. Ввиду того что исходное сырьё для получения стекла имеется в неограниченном количестве, а производство и обработка стекла уже более не связаны с особыми трудностями, стекло может поступать в продажу по очень недорогой цене и может заменять многие материалы и даже завоёвывать для себя новые области применения.

Химический состав стекла

Что представляет собой стекло и какие исходные материалы необходимы для его изготовления? Стёкла представляют собой силикаты, т.е. они всегда содержат элемент кремний в виде кислотного остатка кремниевой кислоты. Несмотря на то, что земная кора на 25% состоит из химически связанного кремния, химически чистые соединения кремния встречаются гораздо реже. Из них можно назвать только двуокись кремния SiO₂, которая встречается в очень чистом состоянии в виде кварца и в виде песка, более или менее сильно загрязнённого примесями. В то время как сама по себе двуокись кремния отличается незначительной реакционной способностью и лишь с трудом поддаётся обработке, при действии щелочных веществ, как сода (карбонат натрия Na₂СО₃) или поташ (карбонат калия К₂СО₃), она вступает легко с ними во взаимодействие и образует силикаты — соли кремниевой кислоты (Na₂SiО₃).

­При этом сода образует основную, а двуокись кремния — кислую часть соли силиката натрия Na₂SiО₃. Эта соль образована нерастворимой и, следовательно, чрезвычайно слабой кремниевой кислотой. Силикат натрия известен также под названием растворимого стеклаи имеет тот недостаток, что легко растворяется в воде и уже на воздухе выделяет студнеобразную, содержащую воду и непрозрачную кремниевую кислоту. Хотя содержащаяся в воздухе угольная кислота и представляет собой очень слабую кислоту, она всё же сильнее, чем кремниевая кислота, и вытесняет последнюю из её соли Na₂SiО₃. При этом она становится на её место, вытесняя кремниевую кислоту в свободном виде.

При добавлении кальция, например, в виде карбоната кальция (известняка) СаСО₃, образуются смешанные соединения силиката натрия и кальция, которые представляют собой твердые вещества и называются стеклом.

Ввиду того, что соотношение количеств трёх главных составных частей стекла может иметь весьма разную величину, не имеет смысла приводить для стекла точную химическую формулу, тем более, что расположение ионов в кристаллической решетке стекла не является точно установленным, и что действительно достоверным можно считать только количественное соотношение содержащихся в каждом сорте стекла элементов, но не характер сочетания этих элементов. По этой причине обыкновенно и записывают последовательно формулы окислов найденных в стекле элементов в порядке того количественного соотношения, в каком они обнаружены в стекле.

Оконное стекло будет приблизительно соответствовать составу 6SiO₂ Nа₂О СаО. Чем больше количество добавленной двуокиси кремния, тем кислеебудет сплав, между тем как при добавлении более значительных количеств карбоната натрия и карбоната калия образуется щелочное стекло. Кислые стёкла в большей мере устойчивы по отношению к действию химических реактивов, чем щелочные стёкла, но они требуют для своего плавления более высокой температуры, благодаря чему их обработка связана с более значительными трудностями.

Натриево-известковое стекло не является особенно высококачественным; но зато оно самое дешёвое и применяется повсеместно в тех случаях, когда требуется бытовое стекло, например оконное или бутылочное, к которым не приходится предъявлять особых требований. Заменив натрий калием путём применения для изготовления стекла вместо соды поташа,можно получить кронглас, из которого, между прочим, изготовляют украшения.

Наконец, в качестве щелочной основы в стекле могут присутствовать как натрий, так и калий совместно. В этом случае образуется натриево-калиево-известковое стекло, находящее применение для изготовления лабораторной посуды и приборов. Заменены могут быть не только калий и натрий, но и кальций, например, на свинец. Для этого вместо известняка к смеси, служащей для изготовления стекла, добавляют окись свинца. Такие стёкла плавятся уже при сравнительно невысокой температуре. Присутствие свинца сильно утяжеляет их и, кроме того, они отличаются весьма высокой светопреломляющей способностью. В качестве свинцового хрустального стекла, или флинтгласа, такое стекло находит применение для изготовления хрустальных изделий и оптических приборов.

Чем в большей степени кальций будет заменён окисью алюминия или борной кислотой, тем более ценное стекло получается при такой замене. Особенно широко такая замена производится при изготовлении иенского посудного стекла. Как можно установить по составу, иенское стекло содержит очень большие количества кислых составных частей и потому отличается высокой температурой плавления, но зато оно обнаруживает в значительной степени и устойчивость к действию химически активных веществ. В стекле супремакс, отличающемся очень большой устойчивостью, почти совсем отсутствуют щелочи. Они заменены в первую очередь окисью алюминия и борной кислотой.

Изготовление стекла

Изготовление простого стекла

Производство стекла разделяется на несколько стадий.

Подготовка исходных продуктов

В зависимости от качества стекла и от характера исходных продуктов эти последние ещё должны быть подвергнуты предварительной очистке. Во всяком случае, они должны быть измельчены и перемолоты для облегчения перемешивания и последующего сплавления. В больших шаровых мельницах, состоящих из барабанов, вращающихся вокруг продольных осей, непрерывно вращаются тяжёлые стальные шары, которые ударяют перемалываемую смесь и измельчают её в тонкий порошок.

Перемешивание стекольной шихты

Эту операцию необходимо совершать с крайней тщательностью, ибо от точного соблюдения правильных соотношений находится в зависимости качество выплавляемого стекла. Готовая шихта либо поступает в стекловаренную печь, либо увлажняется и отжимается в прессах с образованием напоминающих кирпичи кусков, которые облегчают обращение с шихтой и её дозировку.

Варка стекла

Осуществляется в выложенных печах, которые разделяются на два типа — на ванные печии горшковые печи. Первые выложены из огнеупорного кирпича. Всё их внутреннее пространство почти наполовину высоты заполняют расплавленной стекломассой. С одной стороны в такую ванну производят засыпку стекольной шихты в том виде, как она поступает из смесителя. На другом конце находятся небольшие отверстия (рабочие отверстия) из которых стекловар отбирает пробы жидкой стекломассы. Печь нагревают пламенем горящего газа, которое проходит по всему внутреннему пространству и создаёт высокую температуру, которая необходима для плавления и образования стекла.

Ванные печи допускают непрерывное производство: они находятся в действии день и ночь, и работа приостанавливается лишь тогда, когда печь требует ремонта. В них производят стекло массового потребления для изготовления посуды, бутылок и оконного стекла.

Иначе дело обстоит с горшковыми печами. Их применяют для производства стёкол с высоким светопропусканием, оптических, некоторых технических, а также цветных стёкол для художественных изделий. По их внешнему виду они напоминают собой ванные печи, однако для приёма стекломассы в них служит уже не всё их внутреннее пространство. В этих печах устанавливаются большие горшки из огнеупорной глины.

Варка стекла в горшковых печах состоит из последовательных операций: загрузка и провар шихты, осветление и перемешивание, студка, выработка. Таким образом, процессы стекловарения разделены во времени. Шихту в горшки загружают порциями 2 – 3 раза. После варки стекломассы температуру повышают на 30 – 40 ⁰С для осветления. Осветление ускоряют бурлением сжатым воздухом. Затем стекломасса медленно охлаждается до необходимой вязкости. Во время студки расплав перемешивают механически огнеупорными мешалками.

По окончании процесса плавления содержимое ванной печи или содержимое горшка принимает вид спокойнотекучей прозрачной массы, в которой уже нельзя заметить образования каких-либо пузырьков.

Переработка расплавленного стекла

Производится путём дутья, вытягивания, прессования и отливки. Стеклодувное искусство имеет такую же давность, как и вообще изготовление расплавленного стекла. Оно осуществляется при помощи длинной железной трубки (стеклодувной), при помощи которой стеклодув достаёт из печи небольшое количество расплавленного стекла. Путём дутья через противоположный конец трубки он придаёт стеклу желаемую величину и форму.

При производстве одинаковых предметов пользуются особыми формами. Захваченное трубкой расплавленное стекло просовывают в открытую форму, обе створки этой формы захлопывают, и сильным вдуванием воздуха жидкая стекломасса прижимается к стенкам формы. Открыв форму, из неё извлекают готовый выдутый предмет. Иногда его приходится подвергать и дальнейшей обработке.

Для производства точных массовых предметов из полого стекла применяют машины. Современные автоматические бутылочные машина способны на протяжении 24 часов выдуть более 100 000 бутылок.

Толстостенную стеклянную посуду, как например тарелки, миски, пивные кружки и т.д., формируют путём прессования полутвёрдой стекломассы. Толстые и большие плиты изготовляют часто путём отливки. На плоский стол выливают стекломассу, после чего её отвальцовывают до желаемой толщины.

На оконные стёкла стекломассу перерабатывают в большинстве случаев при помощи вытягивающей машины. Стекломассу вытягивают через сопло, пропускают затем через систему нагретых валов, отвальцовывающих её до желаемой толщины, и, наконец, у верхнего конца машины появляется листовое стекло, которое здесь разрезают на большие куски. Эта машина допускает непрерывное производство.

Изготовление цветного стекла

В стеклообразующие материалы стекольной ванны включаются добавки, предназначены либо для облегчения и улучшения процесса сплавления, либо для устранения нежелательных окрасок из-за примеси загрязняющих веществ в исходном сырье, или же, наоборот, для придания стеклу определенной желательной окраски.

Для осветления и обесцвечивания стекла добавляют двуокись марганца МnО₂ (пиролюзит) или 3-х окись мышьяка As2О₃ (белый мышьяк); наоборот, окислы металлов сообщают стекольной массе определенную окраску. Так, например, при добавлении закиси меди Сu₂О образуется кроваво-красное стекло, окись трехвалентного кобальта Со₂О₃ окрашивает стекло в тёмно-синий цвет, закись железа FeO — в зелёный цвет, окись меди СuО — в сине-зелёный цвет и т.д. В роскошный рубиново-красный цвет стекло окрашивается при добавлении незначительного количества чрезвычайно тонко измельчённого золота. Для изготовления затемнённого молочного непрозрачного стекла добавляется костяная зола, окись цинка ZnO или же фтористый кальций CaF₂.

Некоторые физические свойства стекла

Всегда необходимо подвергать ещё горячие предметы процессу медленного охлаждения. Если эта операция будет опущена, то либо эти предметы растрескиваются немедленно, либо в них устанавливается внутреннее напряжение, и они впоследствии при малейшем толчке превращаются в осколки. Общеизвестны так называемые «стеклянные слёзки» и «болонские шарики». При их изготовлении жидкую стекломассу по каплям вливают в холодную воду. Отломив вытянутую шейку такой слёзки, мы увидим, как в результате значительного внутреннего напряжения вся слёзка немедленно разлетится на мелкие осколки.

Подобно тому, как стекло не выносит слишком быстрого охлаждения, весьма неблагоприятное действие на него оказывает и внезапное нагревание. Это в особенности относится к стёклам с толстыми стенками. Представим себе кусок стекла, который при быстром, да ещё, возможно, и одностороннем нагревании будет расширяться. Но ведь его внешние части будут нагреваться быстрее по сравнению с его внутренними частями. Поэтому его внешние части и расширяться будут сильнее.

Ввиду того что стекло не отличается достаточной упругостью и в то же время не обнаруживает соответствующей мягкости, оно при неравномерном расширении претерпит растрескивание. При внезапном охлаждении произойдёт то же самое. На поверхности стекло охладится быстрее и поэтому сильнее сожмётся, чем во внутренних его частях. Если же стекло будет охлаждаться медленно, причем продолжительность охлаждения будет соразмеряться с толщиной стекла, то разница температуры может и выровняться, стекло сожмётся равномерно и не обнаружит описанных недостатков.

Стекло будет по отношению к колебаниям температуры тем менее чувствительным, чем менее оно способно расширяться при нагревании на 1⁰, т.е. чем ниже его коэффициент расширения.

Новые виды стекла

В настоящее время для стекла, как для весьма дешевого материала, открываются новые области применения. Это достигается тем, что его свойства можно менять путём планомерного изменения состава стекла. С другой стороны, та же цель может быть достигнута путём развития новых методов переработки стекла. С такими возможностями мы встречаемся при производстве пеностекла и стеклянного волокна.

Пеностекло

Пеностеклом называют стекломассу, которая пронизана пузырьками газа, не соединёнными друг с другом, но разделёнными силикатной плёнкой. При производстве исходят из твёрдого стекла. Оно перемалывается в тонкий порошок и смешивается с материалом, способным выделять газ, как например с карбонатом кальция. После этого стекло нагревают, причём оно становится тугоподвижным. При этой температуре, однако, наступает разложение также и добавленного материала с выделением газа.

Выделяющаяся двуокись углерода превращает вязкую стекломассу в пену. Пеностекло значительно отличается от обыкновенного стекла. Оно в отличие от обыкновенного стекла легко поддаётся обработке столярными инструментами, пилой и рубанком, обладает очень хорошими теплоизолирующими и звукопоглощающими свойствами. Вследствие наличия в нём многих газовых пузырьков его удельный вес значительно ниже единицы. Таким образом, оно всплывает в воде и при этом не впитывает в себя воду, ибо отдельные поры изолированы друг от друга.

Стеклянное волокно

Под стеклянным волокном следует понимать нити с диаметром, меньшим чем одна десятая миллиметра. Стеклянные нити, служащие для изготовления тканей, являются ещё значительно более тонкими и имеют диаметр от 3 до 12 тысячных миллиметра.

Изготовление волокон осуществляется чаще всего по методу вытягивания стержня и по методу вытягивания через фильеры. По первому методу стеклянные стержни нагреваются сбоку. Плавящееся стекло стекает вследствие своего собственного веса вниз, причем оно вытягивается в тонкую нить, которая наматывается на барабан. По мере того как стержни плавятся, их передвигают дальше. Таким путём достигается непрерывное производство.

При методе протягивания через фильеры процесс проводится аналогично тому, как он протекает при получении искусственного волокна. Стекломасса находится в плоской ванне, на дне которой имеется ряд тонких фильер. Вытекающие волокна наматываются совместно на вращающийся барабан и могут затем подвергаться дальнейшей переработке. Стеклянные волокна не используются поодиночке: для этого они слишком тонки, но из них прядутся нити, содержащие в зависимости от характера ткани от 50 до 100 волокон.

Такой стеклянный шёлк отличается мягкостью и гибкостью и уже мало похож на то, что мы обыкновенно себе представляем под именем стекла. Он, правда, не может заменить материал для пошивки платья: для этого он, во-первых, слишком тяжел (удельный вес 2,5) и, во-вторых, он не обнаруживает носкости других тканей и не всасывает влагу. Однако для технических нужд он именно поэтому и является ценным.

История стекла

Стекло — очень древний продукт: его производство принадлежит к древнейшим промышленно-техническим достижениям человечества. Ещё 5000 лет тому назад египтяне овладели искусством получения стекла. Разумеется, они получали стекло не теми методами и не того качества, что ныне. Сначала удалось получать лишь кусочки непрозрачного спёкшегося стекла, которые в то время применялись в качестве драгоценных украшений. В те времена стекло получали из сырьевых материалов путём их сплавления на открытом огне, причём стеклянная шихта первоначально предварительно сплавлялась в глиняных корытообразных чанах, на древесном топливе. Спекшаяся «фритта», которая при этом получалась, переплавлялась в таких же, но лежащих глубже корытах до образования стекла.

В Египте существовали важнейшие исходные продукты, необходимые для получения стекла. Песок и известняк встречаются там почти повсеместно. Однако гораздо реже в то время имелась безусловно необходимая для производства стекла сода. Соду добывали в то время из содовых озёр Египта, на берегах которых она выкристаллизовывалась естественно.

После покорения Египта римлянами последние заимствовали у египтян также и искусство производства и переработки стекла. Уже в то время было известно стеклодувное искусство и искусство изготовления из стекла простой посуды. Римляне перенесли эти достижения далее в Галлию и Германию. Уже в I веке нашей эры производство стекла получило развитие в старых римских городах Кёльне, Триере и Вормсе.

Центром европейской промышленности стекла в течение всего периода средних веков оставалась Италия. Венецианское зеркальное и хрустальное стекло принадлежало к величайшим драгоценностям. То же можно сказать и относительно малых, oбрамлённых в свинец оконных стёклах, которыми были снабжены окна богатых граждан. Миниатюрные окна в средневековых домах делались столь малыми не потому, что обитатели этих домов избегали света и солнца, но потому, что никто не умел одновременно с обильным доступом воздуха и лучей солнца предохранять свои жилища от холода и дождя. Ибо стекло, которое сделало бы это возможным, было дорого и доступно лишь немногим.

В начале XIX века стекло производилось лишь в некоторых местностях. В средней Европе главными областями стекольной промышленности являлись да и поныне являются Тюринген, Шварцвальд, Богемский лес. Это не случайно. Во-первых, эти богатые лесом гористые области непригодны для земледелия, и их обитатели уже давно должны были обратиться к ремесленной и производственной деятельности. С другой стороны, леса этих районов доставляли топливо для плавильных печей стекольного производства, а также поташ, который применяется при получении стекольной шихты вместо соды.

Поташ прежде добывался из древесной золы, в которой он содержится. Путём прокаливания в больших железных горшках «поттах» его получали в виде беловатой и ещё довольно сильно загрязнённой соли. В более бедных лесом областях, поэтому, не могла развиваться стекольная промышленность. Однако, когда около 1790 года удалось в больших количествах получить соду фабричным путём (до того приходилось ограничиваться применением естественной соды), стекольная промышленность стала более независимой от места добычи сырья. Кроме того, она уже не находилась в зависимости исключительно от древесного топлива.

Ввиду того что каменный уголь доставляет более значительное количество тепла сравнительно с дровами и в связи с тем, что из угля может производиться также и газообразное топливо, часть производства стекла массового употребления переместилась в богатые углём области, в которых в результате индустриализации имелся и благоприятный рынок сбыта.

Литература:

З. Шпаусус. Путешествие в мир химии. М.: Государственное учебно-педагогическое издание министерства просвещения РСФСР, 1959