Wat is glas

Glas komt in de natuur voor als lavaglas (obsidiaan) en werd in die vorm al in de steentijd gebruikt voor dezelfde toepassingen als vuursteen. De vroegste sporen van glasfabricage zijn te vinden in Egypte rond 1500 v Chr, waar glas als glazuur op aardewerk wordt aangetroffen. In de eerste eeuw voor Chr. is de glasblaastechniek ontwikkeld en werden glazen gebruiksvoorwerpen, die daarvoor uiterst schaars waren, meer algemeen.Glas is een hard, doorzichtig materiaal, bereidt uit gesmolten zand, kalk en soda. Dit zijn de hoofdbestanddelen van glas. Daarbij komen nog dolomiet, aluinaarde en andere grondstoffen die nodig zijn om het uiteindelijke glas te kunnen produceren. In de grondstof zand zitten sporen van ijzeroxide (Fe2O3). Deze sporen geven  het glas een zeer geringe groene kleuring (zie bijvoorbeeld vensterglas; dit is goedkoop, niet erg zuiver glas). Door toevoeging van stoffen als potas, arsenicum, koolstof en dergelijke kan deze kleuring worden opgeheven. Wil men echt geheel blank glas, dus met een lichtdoorlatendheid van 100%, dan zal men het zand voor moeten  behandelen.

Glas heeft geen smeltpunt, dat wil zeggen een bepaalde, vaste, temperatuur waarbij het glas van vast naar vloeibaar gaat en omgekeerd. Bij verwarming verandert de aard van het glas glas heel langzaam van vast, via vervormbaar (een plaat glas kan door de zwaartekracht in een mal zakken: slumpen), kleverig aan de (iets gesmolten) buitenkant (tack-fuse), heel dik stroperig (fusen) en iets minder stroperig (casten) naar dun-stroperig (glasblazen). De mate van stroperigheid van het glas geeft het type glasbewerking aan (dikgedrukt). Omdat het glas niet zo’n vast smeltpunt kent en eigenlijk bij afkoeling steeds dikker-stroperig wordt (tot het op een vaste stof lijkt) noemt men glas wel een “onderkoelde vloeistof”. In strikt formeel-wetenschappelijke zin is dit niet waar. Tenslotte doet het verhaal de ronde dat je kunt zien dat koud glas (een ruit) in feite een vloeistof is. In oude kerkramen zou de onderkant van de glasstukken dikker zijn dan de bovenkant: het glas zou naar beneden vloeien. Dit is echter geheel onjuist: zie hieronder.

Fulguriet

Fulguriet

Fulguriet, ontstaan door een blikseminslag in het zand. Door de inslag is gesmolten zand omhoog gekomen

Fulguriet

Fulguriet

Fulguriet, als gevolg van een blikseminslag in het zand. Hier: uitgegraven uit het zand

fulguriet

Fulguriet, als gevolg van een blikseminslag in het zand. Hier: uitgegraven uit het zand

Obsidiaan

Obsidiaan

Obsidiaan, ontstaan bij vulkaanuitbarstingen

Toevoegingen aan glas

Om zand (ook kwarts genoemd) te kunnen gebruiken bij de fabricage van glas, moet men het smeltpunt aanzienlijk verlagen van 1800 graden naar zo’n 1200 graden. Dit is lang een lastig probleem geweest. Men gebruikt soda (en vroeger bijvoorbeeld potas, dat vrijkwam bij de verbranding van beuken- en eikenhout) om het smeltpunt te verlagen. De productie van potas voor de glasbereiding maakte dat veel bos verdween: het verbranden van 1000 m3 hout leverde maar 0,43 m3 potas op. Men moest dus altijd over veel hout beschikken. Tevens had men natuurlijk vroeger veel hout nodig om de ovens te stoken. Daarom vond men vroeger de glasovens in bosrijke gebieden.

Pas rond 1885 wist men soda te maken: een stof die vrijwel gelijke eigenschappen heeft als potas, maar die men goedkoop kunstmatig kon maken. Dit is een belangrijke stap geweest in de glasfabricage. Langzamerhand werken houtgestookte glasovens vervangen door kolengestookte ovens. Door deze twee ontwikkelingen werden bosgebieden gespaard.

Om het glas voldoende hard te maken voegt men kalk toe. Hiermee wordt het glas ook bestand tegen andere stoffen (zuren, basen). Zonder kalk zou het glas oplossen in water. Door het smelten van fijnkwartsmeel met potas ontstaat kaliwaterglas, een bindmiddel dat al decennia lang wordt toegepast in silicaatverven. Muurverven op basis van waterglas zijn zeer duurzaam. Verder wordt waterglas ook wel als impregnatie toegepast. Vroeger bewaarde men onder andere eieren in een pot met waterglas. Aan het oppervlak vormde zich een glaslaagje, dat de inhoud afsloot van de lucht (conservering). Had men een ei nodig, dan verbrak men het glaslaagje, haalde een ei uit de pot, waarna na enige tijd zich een nieuw glas(achtig) laagje vormde.

Het basismateriaal van glas, het zand (oftewel siliciumoxide, als alle onreinheden uit het zand zijn verwijderd), heeft een molecuulstructuur waarbij bij afkoeling de moleculen niet in een vast patroon gaan zitten: er is geen kristalrooster. Hierdoor wordt het materiaal glasachtig/doorzichtig. Wanner de moleculen zich onverhoeds tóch in een kristalrooster gaan zetten, dan wordt het glas troebel. Dit vindt vooral aan het oppervlak plaats als een waas over het glas. We spreken dan van ontglazing of devitrificatie (“devit” in glastermen).

Naast zand, soda en kalk bevat hedendaags glas een veelheid aan toevoegingen (soms een paar A4-tjes lang) om het glas allerlei eigenschappen te geven afhankelijk van de toepassing van het glas. Zo voegt men meestal metaaloxiden toe om het glas een kleur te geven: ijzerverbindingen voor groen, chroomverbindingen voor geelgroen, kobaltverbindingen voor blauw,  seleenverbindingen of goud voor rood, nikkelverbindingen voor bruin-violet, mangaanverbindingen voor wijnrood tot violet, zilver- of zwavelverbindingen voor geel, en koperverbindingen voor groenblauw.

Verder voegt men stoffen toe om ontglazing (zie hierboven) tegen te gaan, om de mate van stroperigheid (viscositeit) aan te passen, om de mate van krimp en uitzetting te reguleren (uitzettingscoëfficiënt), de bestendigheid voor bepaalde stoffen (vaatwasser!) te verminderen, enzovoort.

Potas

Potas

As van verbrand hout kookt men in water in tot potas ontstaat in deze vorm

grondstoffen van glas

grondstoffen van glas

De basisstoffen voor de productie van glas: zand, soda (of vroeger potas), kalk, én resten oud glas om het smeltproces gemakkelijker op gang te brengen

Ontglazing

Ontglazing

De linker kant van het glas is ontglaasd (gedevitrificeerd); er is kristalvorming in de bovenste laag van het glas opgetreden, waardoor het oppervlak matte vlekken krijgt.

Floatglas

Floatglas

Het glas lijkt, als men er door de glasplaat heen kijkt, helder. Kijkt men echter door de kopse kant, dan is het glas waardoorheen men kijke dikker en ziet men duidelijk de groene kleur van ijzeroxide.

Een sprookje

Het verhaal dat in oude (kerk)ramen de onderkant van glasstukken dikker is dan de bovenkant (zoals ook op scholen wel werd onderwezen) is volstrekt onjuist. Volgens een berekening van Edgar Dutra Zanotto van de Universiteit van Sao Carlos in Brazilië in het American Journal of Physics zou zelfs glas met een lage viscositeit (stroperigheid) er 1032  (een 10 met 32 nullen erachter) jaar over doen om merkbaar aan de onderkant dikker te worden. Dit is veel langer dan de leeftijd van de aarde! De dikteverschillen in oude ruiten zijn te verklaren uit fabricagemethoden die in het verleden werden gebruikt. Dik-vloeibaar glas draaide men aan een metalen (blaas)pijp rond, waardoor een ronde glazen plaat ontstond met in het midden het aanhechtingspunt van de blaaspijp. De buitenste rand van die ronde plaat is altijd dikker omdat het dik-vloeibare glas naar buiten wordt geslingerd. Nadat de ronde plaat was afgekoeld sneed men rechthoekige stukken glas uit de plaat. Bij het plaatsen van de rechthoekig stukken glas plaatste men altijd de dikste kant aan de onderzijde, vanwege de stabiliteit én omdat er zo minder vocht in de onderste glasverbinding (hout of lood) kwam.