Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 15.02.17

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Glas - Struktur und Eigenschaften

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Vortrag von Katharina Schneider im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - PC", SS 2001

Gliederung:

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1.Einleitung

Zu Beginn des Vortrags sollte sich der Zuhörer bzw. Leser in das dunkle Mittelalter zurückversetzen:

"Stellen Sie sich vor, dass sie ein Ritter oder ein Burgfräulein im frühen Mittelalter sind und von einer Reise zu ihrer Burg zurückkehren. Draußen ist es bereits dunkel und es weht ein ungemütlicher kalter Wind - drinnen auch (keine Fensterscheiben - die Fenster sind "Löcher" in der Wand). Die Burgbewohner begeben sich geradewegs an die Rittertafel, wo ihnen Wein aus Zinnkrügen (statt Glas) serviert wird. Durstig stürzen sie das Getränk hinunter, das einen metallischen Nachgeschmack hinterlässt (Zinnkrug)."

Die Zustände die früher herrschten, kann sich heute keiner mehr richtig vorstellen, da ein einziger Werkstoff unsere Lebensumstände verbessert. Wir müssen nicht aus metallischen Krügen trinken, haben eine breiteres Freizeitangebot und leben windgeschützt. Für dies ist das Glas verantwortlich.

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2. Definition

"Im physikochemischen Sinn ist Glas eine eingefrorene, unterkühlte Flüssigkeit". [3]

Gläser sind demnach Schmelzen, die ohne Kristallisation erstarrt sind. D.h. im Glas finden wir die gleiche Strukturanordnung, die auch in der Flüssigkeit vorzufinden ist, während Kristalle eine andere Struktur aufweisen. Kristalle besitzen eine regelmäßige Anordnung der Bausteine (Fernordnung), bei Gläsern ist hingegen nur eine Ordnung in kleinen Bereichen vorzufinden (Nahordnung).

Eingefroren bedeutet, dass sich im Gegensatz zur Flüssigkeit die Bausteine im Glas nicht mehr bewegen können.

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3. Struktur

In den 30er Jahren versuchte Zachariasen die Struktur von Gläsern mit Hilfe der Netzwerkhypothese aufzuklären. Er fand heraus, dass die Energieunterschiede zwischen Kristall und Glas derselben Zusammensetzung nur gering sind. Aufgrund dessen kann man darauf schließen, dass in Glas und Kristall die selben Bindungsverhältnisse herrschen, bzw. dass in beiden die gleichen Struktureinheiten, nämlich z.B. SiO2, vorzufinden sind.

Im Kristall sind die SiO4-Tetraeder, die gebildet werden, regelmäßig angeordnet, die Struktur des Glases stellt ein unregelmäßiges Netzwerk dar.

wpe3.jpg (13433 Byte)

Abb. 1: Kristallines SiO2 (links) und glasiges SiO2 (rechts).
Legende: wpe4.jpg (675 Byte) = O, wpe5.jpg (679 Byte) = Si

Bei einer regelmäßigen Anordnung der Bausteine, wie hier im Kristall spricht man von einer Fernordnung, während eine unregelmäßige Anordnung der Bausteine, wie in Flüssigkeit oder Glas, Nahordnung heißt.

SiO2 ist ein Glas, das nur aus einer Komponente besteht, es existieren allerdings viele Gläser, die mehrere Komponenten aufweisen. Beispielsweise unser Normalglas ist ein sog. Natron-Kalk-Glas.

Es besteht aus einem Siliciumdioxid-Gerüst, in das Calciumoxid und Natriumoxid eingelagert sind.

Im reinen Siliciumdioxid-Glas sind alle Sauerstoffionen an zwei Siliciumkationen gebunden, sie stellen gewissermaßen Brücken zwischen den Siliciumatomen dar, und werden deshalb als Brückensauerstoffe bezeichnet. Der Einbau von Na2O sprengt nun den geschlossenen Verband auf und es entstehen Si4+-Ionen, an welchen sich nun nur noch ein einfach gebundenes O2--Ion befindet, so dass keine direkte Bindung mehr untereinander vorliegt.

wpe5.jpg (5763 Byte)

 Abb. 2: Entstehung von Glas aus Quarzsand

wpe7.jpg (9825 Byte)

Abb.3: Glas mit eingefügten Netzwerkwandlern.
Legende:      wpe4.jpg (675 Byte)  = O          wpe5.jpg (679 Byte) = Si           wpe8.jpg (889 Byte) = Na

Durch das Einfügen von Na2O sind Trennstellen entstanden. Die einfach gebundenen O2-Ionen werden als Trennstellensauerstoffe bezeichnet. Die basischen Oxide die das Netzwerk verändern oder abbauen werden als Netzwerkwandler bezeichnet, während diejenigen Oxide die durch Polyederbildung das Netzwerk aufbauen Netzwerkbildner heißen.

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4. Eigenschaften

4.1 Viskosität

Beim Abkühlen einer Schmelze nimmt im allgemeinen das Volumen ab. Im Normalfall kommt es am Schmelzpunkt zu einer sprunghaften Volumenverkleinerung, was einer Kristallisation entspricht. Gläser hingegen verdichten sich über einen weiten Temperaturbereich. Im Transformationsbereich gehen Gläser bei langsamer Abkühlung in den spröden Zustand über.

wpeA.jpg (9056 Byte)
Abb. 4: VT-Viskositätsdiagramm für Glas [nach 7]
Legende: wpeB.jpg (754 Byte) = Glas   wpeC.jpg (776 Byte) = spröder Zustand  wpeD.jpg (758 Byte) = Kristall

In der Flüssigkeit liegen gesprengte Bindungen vor, d.h. die Bewegungsmöglichkeiten in der Schmelze sind hoch und damit liegt eine niedrige Viskosität vor. Beim Abkühlen steigt die Viskosität durch das Schließen von Bindungen. Kühlt man die Schmelze schnell genug ab, so kommt es zu einem willkürlichen Schließen von Bindungen, da die Bausteine "keine Zeit" haben sich korrekt anzuordnen. Dadurch kommt es zu einer steigenden Viskosität. Ist die Viskosität nun so hoch, dass das die Flüssigkeit gerade nicht mehr fließen kann, ist ein Glas entstanden. Dies ist bei einer Viskosität von 1013 Poise der Fall.

Die Verarbeitung von Gläsern erfolgt bei einer Viskosität von 106 bis 109 P. Der Glasbläser muss wissen bei welchen Temperaturen dieser Viskositätsbereich bei unterschiedlichen Gläsern erreicht ist. Für die Glasverarbeitung werden Viskositätskurven erstellt, um den Bereich der Verarbeitung kenntlich zu machen.

4.2 Chemische Beständigkeit

Glas ist bei normalen Temperatur gegen nahezu alle Chemikalien beständig. Einzig Flusssäure ist in der Lage Glas anzugreifen.

Versuch: Ätzen von Glas
Durchführung: In eine Eisenschale deren Boden mit Calciumchlorid bedeckt ist (, um überschüssige Flusssäure abzufangen) wird ein Objektträger gelegt. Anschließend wird ein Tropfen Flusssäure auf den Objektträger gegeben.
Ergebnis: Das Glas wird angeätzt.
Interpretation: Die Flusssäure bringt den Hauptbestandteil des Glases (SiO2) in Lösung. Es entsteht Hexafluorokieselsäure und Wasser.

Vorsicht !!! Flusssäure ist extrem ätzend. Schon kleinste Mengen auf einem Körperteil können zu so schweren Verätzungen führen, dass Amputation nötig werden kann.

Gegen andere wässrige Lösungen ist Glas auch nur scheinbar resistent. Bei Berührung wässriger Lösungen mit der Glasoberfläche kommt es zu Reaktion. Die Reaktionsgeschwindigkeiten sind jedoch so gering, dass man Glas als chemisch beständig bezeichnen kann.

a) Berührung mit Säuren

Im Glas können sich Netzwerkwandler frei von Hohlraum zu Hohlraum bewegen. Grenzt ein solcher Hohlraum an die Lösung, so diffundiert das Kation in die Lösung. Um Elektroneutralität zu bewahren gelangt im Gegenzug ein Proton in das Glas. Es findet eine Auslaugung des Glases statt.

b) Berührung mit Lauge

Bei dem Angriff alkalischer Lösung reagieren die Hydroxid-Ionen mit dem Netzwerk unter Einbau. Dies ist gleichbedeutend mit einer allmählichen Auflösung des Netzwerks.

c) Berührung mit reinem Wasser

Zunächst erfolgt ein Ionenaustausch von Na+ und H+. Dadurch wird das Wasser langsam alkalisch und es kommt wie oben erläutert zu einer Auflösung des Netzwerks.

Diese Reaktionen macht man sich beispielsweise bei der pH-Wert- Bestimmung mit der Glaselektrode zu Nutze. In der Glasoberfläche ist aufgrund der Ionenaustausch-Reaktionen eine bestimmte H+-Ionenkonzentration cg vorhanden, die von der vorher vorhandenen Alkalimenge abgängig ist. Gegenüber der Lösung mit der H+-Ionenkonzentration cl besteht eine Konzentrationskette, die nach der Nernst´schen Gleichung eine elektromotorische Kraft E liefert.

Liegt eine Glasmembran vor, auf deren beiden Seiten sich Lösungen verschiedener H+-Ionenkonzentrationen befinden, ergibt sich folgendes Gesamtsystem:

Da der pH-Wert als negativer dekadischer Logarithmus der H+-Ionenkonzentration definiert ist, kann der pH-Wert der untersuchten Lösung berechnet werden.

4.3 Lichtdurchlässigkeit

Im Glas liegen keine freien Elektronen vor, d.h. das Licht im sichtbaren Bereich hat nicht genügend Energie um die Elektronen anzuregen. Glas ist somit im Normalfall durchsichtig. Im UV-Bereich ist die Energie des Lichts groß genug um Elektronen anzuregen, weshalb es undurchlässig für UV-Strahlung ist.

Enthalten Gläser Nebengruppenelemente, so treten Elektronensprünge schon bei geringerer Energie ein, so dass es schon im sichtbaren Bereich zu einer Färbung des Glases kommt.

4.4 Beispiele

Quarzglas Einziges Einkomponentenglas mit technischer Bedeutung. Geringe Wärmedehnung, hohe Temperaturbelastbarkeit und UV - Durchlässigkeit.
Duran-Glas Borosilicatglas, unempfindlich gegen Temperaturwechsel.
Natron-Kalk-Glas Normalglas, hohe Wärmedehnung, darum empfindlich gegen Temperaturwechsel.
Glasfasern breiter Anwendungsbereich in allen Lebensbereichen Lichtleiter, Textilfasern, Nachrichtentechnik, Isolierung, usw.

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5. Literatur:

  1. E. Riedel, Anorganische Chemie, de Gruyter-Verlag, 4.Aufl., Berlin 1999.
  2. Holleman/Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, de Gruyter-Verlag, 101.Aufl., Berlin 1995.
  3. H. Scholze, Glas-Natur, Struktur und Eigenschaften, 2.Aufl., Berlin 1977.
  4. W. Vogel; Glaschemie, 3.Aufl., Berlin 1992.
  5. H. Pfaender, Schott-Glaslexikon, 5.Aufl., Landsberg am Lech 1997.
  6. D. Renno/M.Hübscher, Glas-Werkstoffkunde, 2.Aufl., Stuttgart 2000.
  7. http://www.a-m.de/deutsch/lexikon/glas-bild2.htm; 31.07.2001.

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