Il vetro: vetrificanti, fondenti, stabilizzanti

Il vetro è un liquido ad alta viscosità, amorfo, rigido trasparente ed omogeneo ottenuto per lento raffreddamento di silicati fusi.

La miscela deve essere costituita da biossido di silicio SiO₂ e da due o più basi, una delle quali deve essere un ossido alcalino ( Na₂O, K₂O) e l’altra da un ossido alcalino-terroso (CaO, BaO) o da un ossido di un metallo pesante ( PbO, ZnO).

Materie prime

Le materie prime, usate nella fabbricazione del vetro, si dividono in quattro gruppi: vetrificanti, fondenti, stabilizzanti e accessori.

Sostanze vetrificanti

Per azione del calore, passano dalla forma cristallina alla forma amorfa o vetrosa. Caratteristica di tali sostanze è di conservare lo stato amorfo a tutte le temperature in seguito alla viscosità del fluido che blocca la mobilità delle molecole, e rende impossibile la cristallizzazione. I principali tipi di vetrificanti sono:

1. Silice SiO₂ diffusa in natura allo stato amorfo ( agata, diaspro, selce) e cristallino ( quarzo α-β, trimidite α-β₁– β₂, cristobalite α-β). La silice subisce per effetto della temperatura trasformazioni reversibili come, ad esempio:

117°C                        163°C

trimidite α    ⇌     trimidite β₁      ⇌     trimidite β₂

e irreversbili:

quarzo → silice fusa

trimidite  → silice fusa

cristobalite → silice fusa

1. Sabbia, grani di quarzo impuri per la presenza di triossido di dialluminio Al₂O₃ e ossido di ferro (III) Fe₂O₃ e sali di calcio
2. Triossido di diboro B₂O₃ usato come vetrificante per vetri speciali quali il Pirex. Si introduce sotto forma di acido borico H₃BO₃ o di tetraborato sodico Na₂B₄O₇ · 10 H₂O. Il triossido di diboro aumenta la resistenza alle alterazioni e all’acqua, riduce la rifrangenza e il coefficiente di dilatazione, conferisce una buona resistenza termica.
3. Pentossido di difosforo P₂O₅ usato per conferire proprietà ottiche al vetro, a scapito tuttavia, della resistenza termica e meccanica. Si introduce sotto forma di fosfato di calcio Ca₃(PO₄)₂

Sostanze fondenti

Facilitano la fusione delle sostanze vetrificanti, permettono la successiva lavorazione del vetro ed introducono le basi alcaline nei componenti acidi dei vetrificanti. Tipici fondenti sono:

1. Carbonato di sodio Na₂CO₃, sale che si dissocia a 800°C in Na₂O che reagisce con la silice formando il silicato:

Na₂O + SiO₂ → Na₂SiO₃

1. Carbonato di potassio K₂CO₃

Questi componenti servono ad accrescere la fluidità della massa fusa.

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Sostanze stabilizzanti

Sono aggiunte per accrescere la stabilità del vetro agli agenti atmosferici e chimici. Tipici agenti stabilizzanti sono:

1. Calcare sotto forma di carbonato di calcio CaCO₃
2. Dolomite  sotto forma di carbonato di calcio CaCO₃ e carbonato di magnesio MgCO₃
3. Magnesite MgCO₃ che migliora la resistenza meccanica
4. Ossido di bario BaO che assicura alla massa fusa una notevole plasticità, ed al vetro un’alta densità ed indice di rifrazione. Si introduce come carbonato di bario BaCO₃ ed ha molteplici funzioni quali quello di impedire la devetrificazione e di permettere di aumentare il tenore di calcio
5. Ossido di piombo Pb₂O₄· PbO che conferisce ai vetri che lo contengono trasparenza e lucentezza oltre che sonorità alla percussione. I vetri che contengono piombo con una percentuale superiore al 24% vengono detti cristalli
6. Ossido di zinco ZnO che rende il vetro particolarmente resistente agli sbalzi termici e agli agenti chimici oltre che esaltarne la trasparenza

Sostanze accessorie

A seconda della funzione esplicata da tali sostanze si dividono in:

1. Sostanze affinanti. Sono quelle sostanze suscettibili di svolgere, per effetto termico, notevoli quantità di gas che omogeneizzano la massa fusa. Le sostanze affinanti più usate sono: triossido di diarsenico As₂O₃, antimonio, nitrato di potassio o di sodio KNO₃ e NaNO₃, solfato di sodio Na₂SO₄, fluoruro di calcio CaF₂, cloruri alcalini
2. Sostanze decoloranti: sono usate per attenuare la colorazione impartita al vetro dai sali di ferro presenti nelle sostanze vetrificabili. Sono sostanze ossidanti che portano il ferro (II) a ferro (III) meno colorato oppure sono sostanze che realizzano la decolorazione fisica per sovrapposizione di due o più colori complementari. Le sostanze decoloranti più usate sono: biossido di manganese MnO₂ che agisce sia da ossidante che da decolorante fisico, ossido di nichel NiO, selenio che ha un forte potere decolorante
3. Sostanze opacizzanti. Costituite solitamente da fluoruri NaF, CaF₂ che sotto forma di minutissimi cristalli  rimangono conglobati sul vetro. Esse presentano un indice di rifrazione inferiore a quello del vetro
4. Sostanze coloranti. La colorazione del vetro è dovuta a dispersione di ossidi metallici che nella massa vetrificabile si trovano allo stato ionico conferendo colorazione violetto, blu, verde, giallo-verde oppure a dispersione di particelle ultramicroscopiche come rame, oro, zolfo che per lento raffreddamento si raggruppano in micelle