Стекло

Итак, мы выяснили, что в состав стекла, помимо кремнезема, должно войти минимум два вещества: окись натрия и окись кальция. Но оказывается, что вместо окиси натрия можно с успехом ввести окись калия, а вместо окиси кальция — окись магния, окись свинца, окись цинка или окись бария. Кроме того, часть кремнезема можно заменить некоторыми другими веществами, например борной или фосфорной кислотой. Наконец, в каждом стекле содержится небольшое количество глинозема, попадающее из стенок стекловаренного сосуда, всегда в какой-то очень небольшой степени растворяющихся в расплавленном стекле. Все эти вещества, участвуя в различных количественных сочетаниях, дают стекла с очень разными свойствами.

Изучив детально, как влияет каждый из перечисленных окислов металлов на то или иное свойство стекла, в какую сторону и насколько он это свойство изменяет, можно, варьируя состав стекла, изменять его свойства в желаемом направлении.

Например, мы знаем, что борная кислота, вводимая в стекло взамен щелочей, понижает коэффициент теплового расширения стекла и, следовательно, делает его более устойчивым по отношению к резким температурным скачкам, поэтому мы вводим бор в стекло, предназначенное для изделий, которые будут подвергаться внезапным изменениям температуры.

Мы знаем, что свинец сильно увеличивает показатель преломления стекла, и на основании этого мы вводим большое количество свинцового сурика в шихту хрусталя, из которого будут изготовляться художественные граненые изделия, главная красота которых заключается в многоцветной игре преломляющегося света.

Известно, что щелочи повышают растворимость стекла, поэтому мы стараемся довести их содержание до минимума в стекле, предназначенном для химической посуды.

Таким образом, несмотря на очень ограниченное количество окислов, вводимых в состав стекла, можно, варьируя их количественное соотношение, сильно изменять свойства стекла. Однако можно пользоваться этим средством лишь в ограниченных пределах. Так, например, если мы превысим допустимую норму содержания песка, шихта окажется слишком тугоплавкой, варка пойдет с большими трудностями и нам не удастся получить прозрачного, свободного от пузырей расплава. Если же, наоборот, мы введем слишком много щелочей за счет песка, стекло окажется химически нестойким и поверхность его начнет быстро мутнеть под воздействием атмосферной влаги.

Чтобы закончить наши рассуждения о химической природе стекла и тех веществах, из которых оно образуется, приведем примерные составы некоторых типичных промышленных стекол (табл. 1).

Беглого взгляда на приведенные рецепты достаточно, чтобы убедиться в разнообразии комбинаций, составляемых из небольшого количества стеклообразующих окислов. Этот перечень рецептов можно увеличить в десятки раз. Одни оптические стекла охватывают собой несколько сот сортов, из которых каждый обладает какими-то особенными свойствами и имеет свой состав. отличающий его от всех других стекол.

Таким образом, разнообразные требования к свойствам стекла на практике удовлетворяются различными комбинациями нескольких входящих в состав стекол окислов. Иногда этих окислов в состав стекла входит очень мало (но не меньше трех), иногда — до десяти. Содержание главной составной части стекла — кремнезема — колеблется от 85 до 35%, а щелочей, т. е. окислов натрия и калия, — от 17% почти до нуля. Такие вещества, как окись бария и окись свинца, иногда совершенно отсутствуют, а иногда содержание их в стекле поднимается до 30-45% и выше[1].

Все ото лишний раз подтверждает, что химический состав — могущественное средство, которым пользуются для придания материалу нужных свойств.

Итак, мы имеем достаточно полное представление о природе стекла, о его свойствах и о химических соединениях, входящих в его состав.

Познакомимся теперь с условиями его приготовления.

Как уже говорилось раньше, для того чтобы из смеси сырых материалов — шихты — получилось стекло, ее необходимо подвергнуть действию высокой температуры. При этом первой расплавится щелочь, после чего в ней начнут растворяться зерна кварца и известняка, вступая между собой в химическое соединение с образованием различных, растворенных друг в друге силикатов.

В результате по истечении нескольких часов при температуре около 1400-1500° получается расплав, в котором уже не осталось ни одной крупинки исходных материалов. Этим заканчивается первая стадия варки стекла, называемая «проваром шихты». Расплав представляет собой прозрачное вещество и уже может быть назван стеклом, так как при охлаждении он сохранит свою прозрачность и не будет обнаруживать признаков кристаллического строения, присущего всем исходным материалам, входившим в шихту.