Wie entstehen Gläser? Glasbildung ist verhinderte Kristallisation. Glas ist eine eingefrorene unterkühlte Schmelze. metastabil

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1 6.3 Gläser - seit 5000 Jahren Mio t/a - Deutschland: 3 Mio t Recycling-Anteil > 70% - 90% Kalk-Natron-Glas - auch metallische Gläser und andere Stoffe im Glaszustand Wie entstehen Gläser? Glasbildung ist verhinderte Kristallisation. Glas ist eine eingefrorene unterkühlte Schmelze H ( ) flüssig * metastabil K H ä ( ) Abbildung 1: Temperaturverlauf des spezifischen Volumens V bzw. der Enthalpie H im schmelzflüssigen, glasigen und kristallinen Zustand mit: T g - Glas- oder Transformationstemperatur; T S - Schmelz- oder Erstarrungstemperatur; KH Kristallisationsenthalpie * - frei bewegliche Teilchen Quelle: Römpp-Online: - NaCl, Al 2 O 3 : selbst bei Abkühlraten von 10 6 K/s keine Glasbildung Seite 1 von 6

2 Beispiele für Gläser: - Silicatglas, B 2 O 3 - BeF 2, S, H 2 O 2 (aq) - HClO 4 (aq), NH 3 (aq) - KOH (aq), LiCl (aq) - org. Gläser: Plexiglas (Acrylglas, Polymethylmethacrylat) Arbeitsgänge der technischen Glasherstellung: - Mischen der zerkleinerten Rohstoffe - Glasschmelze (allmähliches Erhitzen auf 1400 C) und Läutern (Entfernen der Gasblasen) - Abstehen: Abkühlen auf C - Formgebung: Pressen, Walzen, Ziehen, Blasen oder Schleudern des zähflüssigen Glases - Abkühlung Silicatgläser: - SiO 2 aus eckenverknüpften SiO 4 -Tetraedern - stabile Si-O-Si - Struktureinheit - Si-O-Bindungslänge: 162 pm, O-Si-O-Bindungswinkel: 109,5 - Kristall: regelmäßige Verknüpfung der Tetraeder (Fernordnung) Abbildung 2: SiO2 als Kristall: Quarz-Kristall Quelle: Seite 2 von 6

3 - Glas, Schmelze: unregelmäßiges Raumnetz (nur Nahordnung) Abbildung 3: SiO2 als Glas: Quarzglas Quelle: - Zusammenschmelzen von sauren und basischen Oxiden - Beispiel Fensterglas: Kalk (CaCO 3 ) 1 Soda (Na 2 CO 3 ) 1 Anteile Quarzsand (SiO 2 ) 6 -CO 2 CaO, Na 2 O (basisch) SiO 2 (sauer) Natrium-calciumsilicat (Kalk-Natron-Glas) - Ca 2+ und Na + werden in das Si-O-Netzwerk meist nicht stöchiometrisch eingelagert teilweiser Aufbruch der Verbindungstellen der SiO 4 -Tetraeder Hohlräume mit Alkali- und Erdalkalimetall-Ionen Seite 3 von 6

4 Erweichungstemperatur sinkt auf C; F ~ f (Trennstellen) (reines Quarzglas = 1700 C) Dichte, Brechungsindex, Dispersion (Verteilungsgrad) Wasserglas: - Alkalisilicat (Natron- oder Kaliumwasserglas) - Zusammenschmelzen von Quarzsand mit Soda oder Pottasche Variation der Oxide: - durchsichtige und farblose Gläser: keine Absorpton oder Streuung von Licht - farbige Gläser durch Zusätze: FeO - hellgrün Cr 2 O 3 - dunkelgrün CoO - blau Nd 2 O 3 - violett - andere Oxide: B 2 O 3, Al 2 O 3, MgO, BaO, K 2 O silicatfreie Gläser: - B 2 O 3 oder P 4 O 10 als Glasbildner (statt SiO 2 ) Kali-Kalk-Glas: - Quarzsand, Kalk, Pottasche - schwerer schmelzbar als Kalk-Natron-Glas Kali-Blei-Glas ( Bleikristall ): - Quarzsand, Menninge, Pottasche - schwer schmelzbar - stark lichtstreuend - "Bleikristall" (nicht kristallin, sondern amorph!) Borat-Aluminat-Glas Jenaer-Glas : - SiO 2, teilweise durch B 2 O 3 (aus Borax oder Borsäure) oder Al 2 O 3 (aus Kaolin oder Feldspat) ersetzt Spezialglas: - Beispiel Milchglas: TiO 2 als Trübungsmittel Seite 4 von 6

5 oder le: - auf Metalle aufgeschmolzenes (leicht schmelzbares) Glas Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung einiger industriell hergestellter Gläser in Masse-% Quelle: Glasart SiO 2 B 2 O 3 Al 2 O 3 PbO CaO MgO BaO Na 2 O K 2 O Flachglas (Fensterglas) 72 0, Behälterglas (Flaschenglas) 73 1,5 10 0,1 14 0,6 Wirtschaftsglas 75 1,5 8 14,5 0,5 Glühlampenglas Fernsehkolbenglas Laborgeräteglas Bleikristallglas Faserglas (E-Glas) ,5 4,5 Tabelle 2: Maximal tolerierbarer Fe 2O 3-Gehalt einiger Glasarten Quelle: Glasart Fe 2 O 3 [in Masse-%] grünes Flaschenglas 0,5 1,0 Flachglas 0,03 0,07 Wirtschaftsglas 0,025 Bleikristallglas 0,014 optische Gläser 0,001 (= 10 ppm) optische Glasfaser 10 7 (= 1 ppb) metallische Gläser (amorphe Metalle): - dünne Schichten oder Bänder und Massivgläser; meist Legierungen - teilweise bedeutend fester als konventioneller Stahl - gießbar - korrosionsbeständig - für Metalle typische Lichtreflexion bleibt - hauchdünne Metallgläser herstellbar durch Aufdampfen auf kalte rotierende Cu-Zylinder - teilweise magnetisch: hervorragende weichmagnetische Werkstoffe (Glasbildner: B, Si, P; Metalle: Fe, Ni, Co) mit hohem elektrischem Widerstand (wie geschmolzene Metalle knapp über dem Schmelzpunkt) - Anwendungen (dünne Bänder): Kerne für Transformatoren und Sensoren (z. B. "FI-Schalter) und Warensicherungsplaketten (leicht detektierbar) - Anwendungen von Massivgläsern: Skalpelle, Gehäuse für elektronische Artikel, Golfschlä- Seite 5 von 6

6 ger, Luft- und Raumfahrt, Militärtechnik, Schmuck - perspektivisch: möglicherweise in Schiffen, Hochhäusern und Brücken (Vorlesungsmitschrift: R.I.) Seite 6 von 6