Химический состав прозрачного оконного натрий‑кальций силикатного стекла

В зависимости от типа стекла, производственной партии и площадки, на которой было изготовлено данное стекло, его химический состав может варьироваться в диапазоне следующих значений (на примере прозрачного листового стекла марки М1 ГОСТ 111‑2014).

Основные компоненты состава

Компонент Диапазон содержания Источник / пояснение
SiO₂ 69–74 % Диоксид кремния — кварцевый песок
Al₂O₃ 0–3 % Оксид алюминия — глинозём
Na₂CO₃ 10–16 % Карбонат натрия — кальцинированная сода
CaO 5–14 % Оксид кальция — негашёная известь
MgO 0–6 % Оксид магния — периклаз («жжёная магнезия»)
проч. 0–6 % Другие элементы

Особенности стекловарения и роль компонентов

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 процента) окрашивает стекло в зеленоватый цвет.

Если к песку добавить соду (Na₂CO₃), то удаётся сварить стекло при более низкой температуре (на 200–300 °C). Такой расплав будет иметь менее вязкую консистенцию: 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 являются кварцевый песок, сода и известь, называют натрий‑кальциевым. Оно составляет около 90 % получаемого в мире стекла.

Химические процессы при варке 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.

Вариации состава и влияние добавок

В стекло вместо Na₂O с успехом можно вводить K₂O, а CaO может быть заменён MgO, PbO, ZnO, BaO. Часть кремнезёма можно заменить на оксид бора или оксид фосфора (введением соединений борной или фосфорной кислот). В каждом стекле содержится немного глинозёма (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 стёкла с заданными свойствами.

  • 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.