Chemie des Glases
Chemie des Glases
Der Hauptbestandteil von Flachglas ist SiO₂ (Siliziumdioxid bzw. Quarzsand). Dieser Werkstoff besitzt einen hohen Schmelzpunkt von etwa 1.700 °C. Im geschmolzenen Zustand weist Siliziumdioxid bei dieser Temperatur eine zähflüssige Konsistenz auf, vergleichbar mit Sirup an einem kalten Wintertag. Der grundlegende Baustein von Siliziumdioxid ist ein tetraederförmiges Molekül. Im Zentrum befindet sich ein Siliziumatom, das symmetrisch mit vier Sauerstoffatomen an den Ecken verbunden ist. Dieser Baustein besitzt die chemische Formel SiO₄ und trägt eine negative Ladung.
Wird geschmolzenes Siliziumdioxid rasch abgekühlt, entsteht ein ungeordnetes Netzwerk dieser Tetraeder, die über ihre Eckpunkte miteinander verbunden sind. Das Ergebnis ist ein amorpher Werkstoff, der als amorphes Siliziumdioxid (glasartige Kieselsäure) bezeichnet wird.
Aus praktischen und wirtschaftlichen Gründen wird der hohe Schmelzpunkt und die hohe Viskosität von Siliziumdioxid durch die Zugabe von Natriumoxid gesenkt. Dieses wird in Form eines Carbonats als Flussmittel zugesetzt. Die Natrium- und Sauerstoffatome werden entsprechend ihrer Wertigkeit in das Silizium-Sauerstoff-Netzwerk eingebunden. Diese Bausteine werden als Netzwerkbildner (Network Formers) bezeichnet. Weitere wesentliche Bestandteile von Flachglas sind Calcium und Magnesium. Sie werden als Netzwerkmodifikatoren (Network Modifiers) in die Glasstruktur eingebaut. Ihre Aufgabe besteht darin, das Netzwerk so zu verändern, dass beim anschließenden Abkühlen der Glasschmelze die Bildung einer geordneten Kristallstruktur erschwert wird. Im Herstellungsprozess wird die Abkühlgeschwindigkeit gezielt so gesteuert, dass die Viskosität der Schmelze rasch zunimmt und die Beweglichkeit der Atome eingeschränkt wird. Dadurch wird verhindert, dass sich die Atome zu Kristallen anordnen.
Aus diesem Grund wird Glas häufig als unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Es besitzt keinen definierten Kristallisations- oder Schmelzpunkt und zeigt weder die für kristalline Werkstoffe typische Kristallisationswärme noch eine eindeutige Schmelzwärme.