Стекло

Сейчас уже хорошо известно, как химический состав любого вещества влияет на его свойства. Изучением этого вопроса в наше время занимаются во всех отраслях науки. Его исследуют отдельные ученые, лаборатории и институты, о нем написано множество книг. Знанием законов влияния состава вещества на его свойства объясняется то изобилие разнородных материалов, которое человек привлек к удовлетворению потребностей своего быта и для нужд своей деятельности.

Этим путем было достигнуто и умение управлять в широких пределах свойствами стекла, маневрируя его составом.

Каков же состав стекла?

Главной составной частью стекла, входящей в него в наибольшем количестве и определяющей все его типичные свойства, является кремнезем. Кремнезем представляет собой очень прочное химическое соединение одного атома кремния с двумя атомами кислорода.

Насколько велико значение в природе этого соединения, можно судить по тому, что оно составляет около 60% земной коры.

Природные или искусственные вещества, в состав которых входит кремнезем, называются силикатами. Помимо горных пород, к ним относится обширный ряд искусственных материалов, производство которых сейчас составляет самостоятельные крупные отрасли народного хозяйства, как, например, фарфоро-фаянсовое производство, производство огнеупорных материалов, кирпича, вяжущих веществ, стеклоделие.

Кремнезем вводится в состав стекла в виде кварцевого песка. Кварцевый песок принадлежит к числу вторичных горных пород. Он образуется путем разрушения атмосферными агентами (или, как говорят, «выветривания») тех первичных кристаллических пород, которые содержат в себе минерал кварц. Такой породой, например, является гранит, состоящий из кристаллов кварца, полевого шпата и слюды. Зерна этих минералов, освобождающиеся в результате выветривания гранитов и им подобных горных пород, подхватываются водными потоками или ветром и переносятся иногда на громадные расстояния, пока соответствующие топографические или климатические условия не остановят их движения и не образуют «залежей» или «отложений» данного материала той или иной мощности.

В процессе этого вынужденного путешествия в подземных и надземных водных потоках судьба зерен каждого типа будет различна. Она будет зависеть от их величины, формы, удельного веса и химических особенностей. Некоторые минеральные зерна будут отнесены дальше, другие ближе. Одни только изменят свою форму в результате трения друг о друга и отсортируются по крупности, другие подвергнутся сильным химическим превращениям и дадут начало новым веществам.

В результате этого процесса зерна кварца приходят к месту своего окончательного отложения в виде крупинок более или менее правильной, окатанной, шарообразной формы с диаметром, обыкновенно не превышающим 1-2 мм, иногда очень точно отсортированных по крупности.

В стекловарении используются только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее количество загрязнений не превышает 2-3%. Особенно нежелательно присутствие железа, которое, встречаясь в песках даже в таких ничтожных количествах, как десятые доли процента, окрашивает стекло в неприятный зеленоватый цвет. Принимая во внимание, что железо — также очень распространенный элемент на земле, становится понятным, что избежать его в песках не очень легко и что высококачественные чистые отложения стеклопромышленных кварцевых песков встречаются в природе не так уж часто.

Стекло можно сварить из одного песка, не прибавляя к нему никаких других веществ, но для этого нужна очень высокая температура (выше 1700°). Получение таких высоких температур в печах промышленного типа связано с большими трудностями. Обычные печи, в которых используется твердое, жидкое или газообразное топливо, для этого не годятся; приходится прибегать к электрическим печам специального устройства, эксплуатация которых обходится дорого.

Кроме того, при столь высоком нагреве сильно разрушается огнеупорный материал, из которого выложена печь и изготовлен стекловаренный сосуд. Наконец, расплавленный кварцевый песок представляет собой такую густую, вязкую массу, что из нее очень трудно удалять воздушные пузырьки и придавать изделиям нужную форму. Правда, иногда приходится мириться с этими трудностями, а также с дефектами и высокой стоимостью получаемых изделий ради одного замечательного достоинства кварцевого стекла, выражающегося в способности выдерживать любые температурные скачки. Раскаленные добела кварцевые тигли можно бросать в воду, не боясь растрескивания. Благодаря этому свойству кварцевые стаканы, тигли, чашки и трубки поистине незаменимы в лабораторной технике, что и заставляет поддерживать их производство в объеме, удовлетворяющем потребности лабораторий. Понятно, эти изделия не могут служить предметом широкого потребления.