(Fr.: verre; Du.: Glas; Eng.: glass), in algemene zin de verzamelnaam voor stoffen, gekenmerkt door de afwezigheid van lange-afstandordening (een zekere ordening tussen naburige atomen is nog wel aanwezig) en door een zeer hoge viscositeit (ten minste 1 Tpa s = 1013 Pa s = 1013 poise).
Volgens de gegeven definitie is de materie voor alle in de praktijk in aanmerking komende omstandigheden als vast te beschouwen. Uit moderne onderzoekingen zijn twee theorieën ontstaan die de structuur van glas bij benadering proberen te verklaren; de theorieën gaan uit van de wetenschap dat in glas lange-afstandordening tussen de atomen ontbreekt. De kristallietentheorie is gebaseerd op het bestaan van kleine geordende gebiedjes die zijn ingebed in een volkomen ongeordende, amorfe matrix. De theorie is o.a. bruikbaar gebleken bij de ontwikkeling van glaskeramieken. De netwerktheorie gaat ervan uit dat de gehele structuur is opgebouwd als een driedimensionaal netwerk van regelmatige eenheden (bijv. tetraëders) die onregelmatig verspreid zijn. Een zgn. netwerkvormend ion (bijv. Si, B, P, Ge) is tetraëdrisch omgeven door vier zuurstofionen. De netwerktheorie is bruikbaar gebleken bij de interpretatie van een aantal fysische en chemische eigenschappen van glas; bijv. de theorie verklaarde waarom een glas met een hoger gehalte kiezelaarde (Eng.: silica) viskeuzer is dan een glas met een lager gehalte. Tot voor kort stonden beide theorieën lijnrecht tegenover elkaar; thans zijn zij bezig naar elkaar toe te groeien.
Voor het brengen van een stuk materie in de glasachtige toestand kan men uitgaan van een kristallijn materiaal en daarin de lange-afstandordening teniet doen terwijl het materiaal vast blijft, of kan men uitgaan van een stuk materie in een toestand waarin geen lange-afstandordening heerst, maar waarin de viscositeit erg laag is, en daarin zodanige veranderingen aanbrengen dat de viscositeit stijgt zonder dat ordening optreedt. Het eerstgenoemde geval is in de praktijk alleen te verwezenlijken door bijv. een behandeling met radioactieve straling met een hoge energie of met neutronen. In het, meer gebruikelijke, tweede geval wordt materie verhit tot dun vloeibaar: de lange-afstandordening is verloren gegaan en de viscositeit is laag. Om tot een glas te komen dient zodanig gekoeld te worden dat de neiging tot lange-afstandordening onderdrukt wordt. Afhankelijk van de stof moet het afkoelen relatief snel gebeuren.
In de afb. is in punt E het punt bereikt waarbij de structuur bij verder afkoelen niet meer verandert: men heeft een vaste stof gekregen en wel de niet-kristallijne fase: glas. Door een vloeistof af te koelen onder de transformatietemperatuur TG waarbij kristallisatie uitblijft, treedt dus glasvorming op. Een hogere afkoelsnelheid zal resulteren in een volumineuzer, ijler glasprodukt; dit vindt zijn weerslag op tal van fysische eigenschappen van glas, bijv. een hogere geleiding, een lagere brekingsindex, een lagere diëlektrische constante enz. In feite is er nauwelijks een fysisch fenomeen te noemen dat niet aan een glasachtig produkt is te verbinden. Men beschikt thans over glazen met elektronengeleiding, magnetische eigenschappen, lichtgevoeligheid, fluorescentie, piëzo-elektriciteit, laserwerking enz.
Na lange tijd zal elk glasmengsel overgaan in de (uiteindelijk) stabiele gekristalliseerde fase, het zgn. ontglazen. Het ontglazingsproces kan sterk versneld worden door bijv. een warmtebehandeling. Dit verschijnsel, bij de normale glasfabricage een fabricagefout, wordt thans juist gebruikt om gewenste glaskeramische materialen te vervaardigen.
Glasvorming zal men dus voornamelijk aantreffen bij stoffen die moeilijk kristalliseren. Over het algemeen zullen dit stoffen zijn die reeds in de vloeibare toestand zijn opgebouwd uit ingewikkelde, onregelmatige bouwstenen, die moeilijk in een periodiek geordend rooster ingepast kunnen worden. In de organische chemie denke men bijv. aan de kunstharsen met hun vaak zeer grote moleculen, maar ook aan meervoudige alcoholen, waarvan de deeltjes via een bijzonder soort binding (waterstofbruggen) met elkaar tot een netwerk zijn verbonden. In de anorganische chemie kunnen enkele elementen (O, S, Se, Te), halogeniden (BeF2, ZnCl2) en sulfiden glasvormig verkregen worden. De voornaamste glasvormende stoffen zijn echter de oxiden B2O3, SiO2 en P2O5, al dan niet in combinatie met elkaar of met andere stoffen. Ook enkele andere oxiden (P2O3, GeO2 e.a.) kunnen aanleiding geven tot glasvorming. In glazen met meer componenten, zoals de natriumsilicaatglazen, treedt nog een complicatie op: er kan namelijk een zekere ontmenging der componenten optreden, zodat in het glas gebiedjes van uiteenlopende samenstelling naast elkaar worden aangetroffen. De glasvormende oxiden worden gekenmerkt door een structuur met relatief veel open holten en door een zodanige verbinding tussen de bouwstenen dat er een zekere speling overblijft.
In de meeste anorganische oxidische glazen komen, naast de glasvormende oxiden, nog stoffen voor die op zich zelf niet of slechts zeer moeilijk glas kunnen vormen, doch die de structuur van het glasvormende oxide sterk kunnen wijzigen. Een typisch voorbeeld van een dergelijk netwerkwijzigend oxide (Eng.: modifier) is Na2O in natriumsilicaatglazen. SiO2, kwartsglas, bestaat uit SiO4-groepen waarin ieder Si4+-ion zich in het centrum van een tetraëder bevindt, waarvan de hoekpunten door de O2−-ionen worden gevormd. Ieder zuurstofion behoort aan twee naburige tetraëders toe en vormt aldus een verbinding daartussen (Si─O─Si-brug). Er ontstaat een doorlopend, elektrisch neutraal netwerk van totale samenstelling SiO2. Bouwt men nu Na2O in, waardoor natriumsilicaatglas ontstaat, dan zal de zuurstof hiervan bij voorkeur een positie vlak bij een Si4+-ion kiezen, zodat de reactie plaatsvindt: (zie afb.2)
Met andere woorden: de zuurstofbruggen tussen de Si4+-ionen worden afgebroken, de overmaat negatieve lading die het netwerk hierdoor verkrijgt wordt gecompenseerd door Na+-ionen. Ten gevolge van deze reactie neemt de samenhang in het netwerk af: het glas wordt bij gegeven temperatuur dunner vloeibaar, de thermische uitzetting neemt toe, enz. Weer andere ionen (bijv. Al3+) zijn ‘weifelaars’; zij kunnen, al naar de omstandigheden, zowel in het netwerk (in de plaats van Si4+) als tussen de tetraëders (in de plaats van Na+) een plaats vinden.
Het meest gebruikte glas is een natron-kalkglas, waarvan de samenstelling meestal bij Na2O∙CaO∙6SiO2 ligt. Vensterglas, flessenglas e.d. zijn meestal uit een dergelijk glas vervaardigd, al worden vaak nog andere componenten, al dan niet met opzet, toegevoegd. Kristalglas is een glas met hoge brekingsindex, waardoor de hiervan vervaardigde voorwerpen een fraaie glans verkrijgen; het bevat meestal veel PbO of BaO. Voor laboratoriumdoeleinden wordt veelal een borosilicaatglas of aluminoborosilicaatglas gebruikt; daarnaast is nog een groot aantal speciale glassoorten in de handel.
Fabricage.
Glas wordt gesmolten in grote tanks. De verwarming geschiedt normaliter met behulp van gas- of oliebranders, die de te smelten massa van boven af verwarmen; dit heeft het voordeel, dat het glas dat met het tankmateriaal in aanraking komt relatief koel is, hetgeen corrosie tegengaat. Deze verwarming is echter weinig efficiënt. Vandaar dat men ook wel elektrisch verhit met behulp van in de smelt geplaatste molybdeenelektroden. Ook gemengde verwarming komt voor. De tanks zijn vervaardigd van vuurvast materiaal, bijv. Corhart (70% Al2O3, 20% SiO2, rest variërend), ZAC (50% Al2O3, 35% ZrO2,15% SiO2) of monofrax (95% Al2O3). De te smelten grondstoffen dienen goed gemengd te worden om een homogene smelt te verkrijgen. Een glastank (‘wan’) bestaat uit een smeltruimte, waarin het glas gesmolten, gehomogeniseerd en van gasbellen bevrijd (‘gelouterd’) wordt, en een werkruimte, waaraan delen van de smelt onttrokken worden voor de verdere verwerking tot glazen voorwerpen. Het louteringsproces bevordert men door het toevoegen van bestanddelen die veel gasbellen ontwikkelen (in vroeger eeuwen bijv. natte berketakken, tegenwoordig o.a. As2O3); bij hun ontwijken uit de smelt zorgen de gasbellen voor roeren en slepen zij veel van de uit het grondstoffenmengsel (‘gemeng’) zelf afkomstige gasbellen mee.
De verwerking vond tot ca. 1900 nog overwegend met de hand plaats: de glasblazer onttrok met behulp van een holle, stalen pijp een bepaalde hoeveelheid (‘post’) aan de smelt, verbrak de glasdraad die post en smelt nog verbond, walste de post aan het einde van de pijp tot een massief omwentelingslichaam en blies de post op tot bijv. een holle bol. Tegenwoordig is dit proces vergaand gemechaniseerd. Holle vormen worden vaak vervaardigd met behulp van de machine van Owens, waarbij het glas uit een met de werkruimte in verbinding staande, roterende cilinder in bijv. een flessenvorm wordt omhooggezogen. Andere machines werken met een zgn. feeder, waarmee een hoeveelheid smelt via een opening in de bodem van de werkruimte door een periodiek op en neer bewegende plunjer naar beneden geperst wordt. Van de naar beneden glijdende massa wordt een nauwkeurig berekende hoeveelheid afgeknipt, die in een eronder klaarstaande matrijs valt, waarin zij vervolgens automatisch tot de gewenste vorm wordt opgeblazen of geperst. Aldus worden bijv. de glazen delen van televisiebuizen vervaardigd. Voor de fabricage van vensterglas en ander vlakglas zie Vlakglas.
Doordat bij het vormen van een glazen voorwerp niet alle deeltjes tegelijkertijd TG bereiken, ontstaan er spanningen. Deze kunnen worden opgeheven door het temperen: verhitten tot een temperatuur die in de buurt van TG ligt. Enige spanning laat men echter vaak bewust bestaan ter verbetering van de mechanische eigenschappen.
Eigenschappen.
De relatieve dichtheid der glazen is afhankelijk van samenstelling en thermische voorbehandeling; zij ligt voor de meeste commerciële glazen bij ca. 2,5. De thermische uitzettingscoëfficiënten lopen sterk uiteen. Gelijkheid van thermische uitzetting is een voorwaarde waaraan voldaan moet zijn, willen twee glazen aan elkaar gesmolten kunnen worden. Over het algemeen verandert de uitzetting in het transformatiegebied sterk, waarbij een volumeverandering ten gevolge van structuurwijziging gesuperponeerd is op de normale fysische expansie. De thermische schokbestendigheid is, behalve van de thermische uitzettingscoëfficiënt, nog afhankelijk van de treksterkte, warmtegeleidingscoëfficiënt, elasticiteitsmodulus enz. In het algemeen is een lage thermische uitzettingscoëfficiënt (gering alkaligehalte) gunstig voor thermische schokbestendigheid (kwartsglas, vycorglas). De mechanische sterkte is voornamelijk afhankelijk van het oppervlak van het glas. Een vers glasmonster is zeer sterk, het verliest echter snel veel van zijn sterkte doordat het oppervlak kleine krasjes (haarscheurtjes) oploopt. Deze zullen bij belasting door spanningsconcentratie snel verder scheuren. Dit is tegen te gaan door het oppervlak van tevoren onder een passende drukspanning te brengen: voordat het glas bezwijkt, moet eerst de drukspanning overwonnen worden. Deze kan men aanbrengen door hetzij het glasoppervlak een andere samenstelling te geven (in de praktijk geschiedt dit veelal door ionenwisseling tijdens onderdompelen in een geschikte smelt), hetzij door een geschikte thermische behandeling, zoals bij eenlaagsveiligheidsglas. Het inwendige van het glas komt hierbij weliswaar onder een trekspanning te staan en wordt dus zwakker; dit wordt echter pas merkbaar wanneer een oppervlaktescheur zo diep wordt dat zij door de buitenste laag heen komt. Is dat het geval, dan is de kans groot dat het gehele voorwerp ineens bezwijkt.
Glas gedraagt zich als een thermische isolator. Elektrisch is het in droge toestand bij kamertemperatuur een goede isolator; in vochtige lucht wordt het echter snel bedekt door een goed geleidende laag. Bij temperaturen hoger dan bijv. 200...300°C gaat ook de elektrische geleiding van het glas zelf merkbaar worden, vooral in glazen die grote hoeveelheden alkali bevatten. Glas reageert chemisch duidelijk merkbaar slechts met waterstoffluoride HF en alkalische smelten, langzamer met heet fosforzuur en kokende loogoplossingen. Bij nauwkeurig chemisch werk dient men echter ook met de — zij het zeer geringe — reactiviteit van glas ten opzichte van water rekening te houden.