Составы древних и средневековых стёкол

Первые изделия из стекла изготовляли из случайного состава. Это была смесь из золы, глины, песка, то есть тех компонентов, которые встречались при формовании изделий из глины. Зола содержит оксиды щелочных и щёлочно-земельных металлов. Повышение содержания щелочных компонентов (до 30%) снижало температуру плавления. Для окрашивания стекла использовали оксиды железа, марганца, а также шлаки от выплавки некоторых металлов. Например, для окрашивания в синий цвет применяли шлаки от выплавки кобальта. В первом веке нашей эры римский ученый Плиний писал, что в Финикии для выплавки стекла использовали песок реки Белус с места впадения её в Средиземное море. Песок с берегов этой реки содержал водоросли и раковины. Остатки водорослей приносили в стекло оксид натрия, как продукт разложения соды, а раковины – оксид кальция, образующийся после разложения известняка. Этот песок не требовал никаких других дополнительных сырьевых материалов при варке стекла, так как содержал все необходимые компоненты.

В прибрежных странах (Египет, Сирия, Венеция) основной добавкой к кварцевому песку являлась сода. В лесистых местностях (Франция, Германия, Богемия) использовалась древесная зола. Французское стекло XVII (стаканы, бокалы) носило название «verre de fougere» – «стекло из папоротника». Слово «фужер» в переводе с французского означает папоротник. Золу этого растения, содержавшую 43 % оксида калия, и применяли французские стеклоделы. В Западной Европе на протяжении нескольких столетий самым распространённым компонентом шихты была зола бука. Зола осины и клёна позволяла регулировать цвет и оттенки стекла, зола берёзы придавала стеклу тугоплавкость. В Древней Руси для варки стекла пользовались, в основном, золой ржаной соломы.

Химический анализ сухого вещества растений показывает, что в их состав в среднем входят: 45% С; 42 % О; 6,5% H; 1,5% N. Остальные 5% составляют фосфор, калий, магний, кальций, бор, а также красящие элементы – железо, кобальт, марганец, медь и другие – всего их около 60.

По мере накопления опыта состав стекла приближался к оптимальному. Он соответствовал самому легкоплавкому составу, а именно – тройной эвтектике в системе SiO₂-Na₂O-CaO с температурой плавления 725^оС.

Эвтектический состав (мас.%):73,5 SiО₂; 21,3 Na₂O; 5,2 CaO.

Римское стекло I-V вв.н.э. отличается по содержанию компонентов от указанного состава на 1-2%. Состав стекла из раскопок в Помпее почти полностью совпадает с составом современного промышленного стекла.

Кроме трёх основных компонентов, в составах стёкол обнаружены и другие элементы. Часть их обязана примесям, другие вводили преднамеренно.

До второй половины 18 века в стекле фиксировались следующие элементы (помимо кислорода): Si, B, Na, K, Ca, Mn, Fe, Co, Cu, Au, Ag, а также Sn, Pb, S. М.В.Ломоносов в 1748-1952 году исследовал влияние на свойства стёкол целого ряда элементов: Al, Mg, Bi, Zn, Hg, Sb. В 19 веке синтезом новых составов занимались многие учёные: Деберейнер (1829 год), Лами (1866 год), Гаркурий (1871 год), Шотт (1887 год) и другие. К настоящему времени в составах оксидных стёкол испробованы практически все элементы периодической системы Д.И.Менделеева.