Кристаллитная теория

Когда после Великой Октябрьской социалистической революции перед нашей страной встала необходимость наладить народное хозяйство, надо было не только восстановить, но и заново создать промышленность, перестроить сельское хозяйство, развернуть электрификацию и создать новые, более совершенные заводы, в том числе и стекольные.

Одним из самых трудных процессов при приготовлении стекла был его «отжиг». Отжигом называется постепенное охлаждение стекла после его затвердевания. Изучая процессы, происходящие в стекле при отжиге, академик А. А. Лебедев понял, что управлять этими процессами удастся только тогда, когда будет получено ясное представление о строении стекла.

Уже давно было известно, что самое простое по составу стекло, как, например, оконное, состоит из окислов кремния, кальция и натрия. Но было совсем неясно, каким образом эти три химических соединения связываются друг с другом.

А. А. Лебедев высказал предположение, что, при остывании расплавленной смеси окислов, уже в вязком стекле начинается кристаллизация кремнезема. Но полностью кремнезем не может закристаллизироваться, потому что в вязком стекле при сравнительно низких температурах молекулы двигаются с большим трудом. Раньше чем успевают вырасти зародившиеся кристаллики, стекло остывает и движение молекул почти полностью прекращается. Поэтому не успевают развиться кристаллические участки, которые постепенно и переходят в слой беспорядочно расположенных молекул кремнезема.

Кремнезем в остывающем стекле начинает затвердевать значительно раньше других соединений, и в остывающем стекле прежде всего образуется нечто вроде кремнеземной сетки, или сот. В ячейках этих сот располагаются области, состоящие из более легкоплавких химических соединений — силикатов.

Строение стекла можно сравнить с сотами, где воск заменен кремнеземом, а мед — силикатами. Можно строение стекла сравнить и с губкой. Разница будет заключаться только в том, что в сотах и в губке имеется резкий переход между воском и медом, между телом губки и водой, а у стекла такого резкого перехода нет. Кремнеземный скелет стекла постепенно переходит в область силикатов, и внутри силикатных областей также имеются кристаллические зародыши, как и в кремнеземной сетке.

Когда мы смотрим через оконное стекло на улицу, то стекло нам кажется совершенно однородным и прозрачным, как бы состоящим из одного вещества. Тонкая сотовая структура стекла совсем незаметна. Однако как только изменятся внешние условия, например если нагреть готовое стекло или поместить в кислоту, так сразу проявится его неоднородное строение.

Стекло в кислотах отчасти растворяется. При растворении в первую очередь из стекла в кислоту выделяются силикаты. Кремнеземная же сетка остается без изменений. Следовательно, на поверхности стекла постепенно образуется слой кремнезема, лишенный силикатных включений. Этот слой, или кремнеземная пленка, предохраняет стекло от дальнейшего растворения. Поэтому и можно сохранять в стеклянной посуде такие крепкие кислоты, как серная, соляная и азотная.

При небольшом нагревании стекла постепенно изменяются все его свойства, а при некоторых температурах они меняются особенно резко.

Кристаллитная теория строения стекла позволяет найти объяснение многим удивительным свойствам реально получаемых стекол. Однако следует иметь в виду, что строение стекла очень сложно и до сих пор еще имеются разные взгляды и теории среди ученых и вопрос нельзя считать окончательно решенным.