Aggiunte di elementi chimici nei vetri

Il vetro comune è detto anche “vetro siliceo”, in quanto costituito quasi esclusivamente da diossido di silicio (SiO2). Il diossido di silicio ha un punto di fusione di circa 1800 °C, ma spesso durante la produzione del vetro vengono aggiunte altre sostanze (dette “fondenti”), che abbassano il punto di fusione anche al disotto dei 1000 °C, quali ad esempio:

  • la soda (carbonato di sodio Na2CO3)
  • la potassa (carbonato di potassio)
Struttura di un vetro sodio-calcico con aggiunta di alluminio come stabilizzatore.
Struttura di un vetro sodio-calcico
con aggiunta di alluminio
come stabilizzatore.

Fondenti usati spesso nell’industria vetraria sono i borati e i nitrati. Poiché la presenza di soda rende il vetro solubile in acqua (caratteristica non desiderabile), viene aggiunta anche calce (CaO) per ripristinare l’insolubilità.
Altre sostanze possono essere aggiunte per ottenere diverse proprietà. A seconda dell’azione sul reticolo cristallino, gli ossidi aggiunti nei vetri possono essere classificati in:

  • ossidi formatori di reticolo: ossido di silicio, ossido di boro e ossido di fosforo.
  • ossidi modificatori di reticolo: ossidi di metalli monovalenti e bivalenti (tra cui: sodio, potassio, calcio e magnesio)
  • ossidi intermediari: ossido di alluminio e ossido di piombo.

Le sostanze aggiunte al vetro possono inoltre essere classificati in base alla loro funzione:

  • fondenti: abbassano la temperatura di fusione e migliorano la fluidità del vetro durante la sua produzione (ossidi di sodio e potassio);
  • stabilizzanti: migliorano le proprietà chimiche e meccaniche del vetro prodotto (ossidi di calcio, bario, magnesio e zinco);
  • affinanti: agevolano l’eliminazione di difetti (triossido d’arsenico, nitrati alcalini e nitrati d’ammonio);
  • coloranti: modificano l’aspetto cromatico del vetro prodotto (ossidi di ferro, rame, cromo e cobalto);
  • decoloranti: neutralizzano il colore impartito da altre sostanze (biossido di manganese);
  • opacizzanti: per la produzione del vetro opalino (fosfati di sodio, cloruri di sodio, fosfati di calcio, cloruri di calcio, ossido di stagno e talco).

La tabella seguente mostra le percentuali in peso tipiche di alcuni ossidi nei vetri:

 

Intervalli di composizione tipici dei vetri comuni
Componente % minima % massima
SiO2 68,0 74,5
Al2O3 0,0 4,0
Fe2O3 0,0 0,45
CaO 9,0 14,0
MgO 0,0 4,0
Na2O 10,0 16,0
K2O 0,0 4,0
SO3 0,0 0,3

Il vetro al piombo, noto anche come cristallo o vetro Flint, si ottiene aggiungendo ossido di piombo, sotto forma di litargirio giallo (PbO) o minio rosso (Pb3O4), ed ha un indice di rifrazione maggiore di quello del vetro comune, con l’effetto di apparire più brillante.
Aggiunte di carbonato di bario (BaCO3) aumentano ugualmente l’indice di rifrazione del vetro, mentre aggiunte di ossido di torio producono un elevatissimo indice di rifrazione ed i vetri così ottenuti sono usati per produrre lenti di alta qualità.
Il boro è aggiunto sotto forma di borace (Na2B4O7) o acido borico (H3BO3) per migliorare le caratteristiche termiche ed elettriche (come nel caso del vetro Pyrex).
L’aggiunta di alte quantità di ferro provoca l’assorbimento della radiazione infrarossa, come nei filtri per l’assorbimento di calore nei proiettori cinematografici. Con il cerio si ottiene un forte assorbimento delle radiazioni ultraviolette, ottenendo vetri in grado di offrire protezione dalla radiazioni ultraviolette ionizzanti.
Metalli e ossidi metallici vengono aggiunti nella produzione del vetro per dare o alterare il colore. Il manganese in piccole quantità neutralizza il verde causato dalla presenza di ferro, mentre in quantità elevate dà il colore ametista. Similmente il selenio in piccole dosi è usato per decolorare, mentre in quantità elevate dona colore rosso. Piccole concentrazioni di cobalto (0,025-0,1%) danno colore blu. Ossido di stagno con ossidi di arsenico e antimonio danno un vetro bianco opaco, usato nei laboratori di Venezia per imitare la porcellana.
Aggiunte dal 2 al 3% di ossido di rame producono un colore turchese, mentre il rame metallico dà un rosso opaco, e viene impiegato come surrogato del rubino rosso. Il nichel, dipendentemente dalla concentrazione, induce blu, violetto o anche nero. L’aggiunta di titanio dà un vetro giallo-marrone. L’oro in concentrazioni minime (0,001%) produce un vivace colore rosso rubino, mentre una quantità ancora minore dà sfumature meno intense di rosso, commercializzate con il nome di “vetro cranberry” (lampone).
L’uranio (0,1-2%) può essere aggiunto per dare un colore giallo o verde fluorescente. Il vetro all’uranio solitamente non è sufficientemente radioattivo da essere pericoloso ma, se polverizzato (per esempio mediante lucidatura con carta vetrata) ed inalato, può essere cancerogeno. I composti dell’argento, in particolare il nitrato, producono una gamma di colorazioni comprese tra il rosso arancio ed il giallo.
Il modo in cui la pasta vetrosa è scaldata e raffreddata influisce molto sul colore generato da questi elementi, secondo meccanismi chimico-fisici non del tutto compresi. Periodicamente vengono scoperte nuove colorazioni per il vetro.