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
| Стекло | SiO2 | B2O3 | Al2O3 | Na2O | K2О | CaO | MgO | Pb3O4 | ВаО | ZnO |
| Оконное | 72 | – | 2 | 14 | – | 9 | 3 | – | – | – |
| Бутылочное | 70 | – | 3 | 17 | – | 8 | 2 | – | – | – |
| Хрустальное | 56 | – | – | – | 11 | – | – | 33 | – | – |
| Лабораторное | 85 | 9 | 2 | 4 | – | – | – | – | – | – |
| Оптическое | 34 | 13 | 3 | – | – | – | – | – | 46 | 4 |
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).