Glas ist ein faszinierender und charismatischer Werkstoff. Es ist oft transparent (lichtdurchlässig) und bringt so Licht an manch „dunklen Ort“. Glas ist – sprichwörtlich – zerbrechlich und damit ein Symbol für Vergänglichkeit. 

Auf die Frage nach der Zusammensetzung von Glas finden wir bereits um 650 v. Chr. im Assyrischen Königreich einen ersten Hinweis auf einer Tontafel: „Nimm 60 Teile Sand, 180 Teile Asche aus Meerespflanzen, 5 Teile Kreide – und du erhältst Glas“. Sand, Kalk, Soda und Pottasche heißt es dann in späteren Rezepturen. [1]

Für uns Chemikerinnen und Chemiker besteht Glas unter anderen aus Siliciumdioxid (SiO₂, Sand), Calciumcarbonat (CaCO₃, Kalk, Kreide), Natriumcarbonat (Na₂CO₃, Soda), und Kaliumcarbonat (K₂CO₃, Pottasche). Dieses Gemenge wird bei rund 1400 °C geschmolzen, und danach wird die Schmelze schnell zu einem amorphen Festkörper, dem Glas, abgekühlt. Der größte Teil der heute produzierten Massengläser sind Kalk-Natron-Gläser obiger Zusammensetzung.

Wichtigstes Ausgangsmaterial zur Glasherstellung ist Quarzsand SiO₂. Neben reinem Siliciumdioxid (SiO₂) können als Netzwerkbildner noch Bortrioxid (B₂O₃), Phosphorpentoxid (P₄O₁₀) und weitere Materialen zur Formung der molekularen Grundstruktur von Glas eingesetzt werden, indem sie ein regelloses, dreidimensionales Netzwerk aufbauen. So enthält beispielsweise das hitzefeste Borosilikatglas 70-80 % SiO₂ und 7-13 % B₂O₃.

Stoffe wie Soda (Na₂CO₃), aus dem in der Glasschmelze Natriumoxid (Na₂O) gebildet wird, und Pottasche (K₂CO₃), die sich in der Schmelze in Kaliumoxid (K₂O) umwandelt, dienen als Netzwerkwandler und setzen gleichzeitig die Schmelztemperatur der Glasschmelze herab. Netzwerkwandler unterbrechen das polymerartige, dreidimensionale Netzwerk und verändern so durch einen verringerten Vernetzungsgrad die Struktur und Eigenschaften eines Glases. 

Das in der Schmelze gebildete Kohlendioxid (CO₂) wird als Gas aus der Schmelze freigesetzt. Auch der Grundstoff Kalk (CaCO₃) dient zusätzlich als Netzwerkwandler und zersetzt sich in der Schmelze zu Calciumoxid (CaO). Calciumoxid erhöht bei geringer Zugabe (10-15 %) die Härte und chemische Beständigkeit eines Glases.

Altglas aus dem Glas-Recycling ist heute ein wichtiger Rohstoff für die Behälterindustrie, denn Glasflaschen bestehen zu rund 60 % aus Altglas, bei grünen Flaschen sind es sogar bis zu 95 %. In der Regel enthalten Gläser mehr als drei Komponenten, lediglich Quarzglas besteht als Einkomponentenglas aus reinem Siliciumdioxid. Die Zusammensetzung von Glas ist vielfältig. Über 50 der rund 90 auf der Erde vorkommenden Elemente können in Glas vorkommen. [1].

Die Kalk-Natron-Gläser zählen als oxidische Gläser zur großen Gruppe der anorganischen Gläser. Daneben existieren auch organische Gläser wie der natürliche Bernstein oder transparente Kunststoffe wie das polymere Acrylglas (Polymethylmethacrylat, kurz PMMA). das umgangssprachlich als Plexiglas bezeichnet wird.

Glas ist der Sammelbegriff für eine Gruppe amorpher Feststoffe, die durch Schmelzen und nachfolgendem schnellem Abkühlen erzeugt werden. Das schnelle Abkühlen ist wesentlich, denn beim Erstarren einer Glasschmelze bilden sich zwar Kristallkeime, aber für einen kompletten Kristallisationsprozess reicht die Zeit nicht aus. Dies wird am molekularen, dreidimensionalen Aufbau eines Quarzkristalls und eines Quarzglases näher erläutert:

Glas ist ein amorpher Stoff: Beim schnellen Abkühlen einer Glasschmelze wird das flüssige Glas quasi eingefroren. Je langsamer eine Glasschmelze erstarrt, desto größer ist dann der Ordnungsgrad und umso regelmäßiger ist die Anordnung der jeweiligen Bausteine in einem Glaskörper. Amorphe Stoffe haben keinen exakten Schmelz- und Erstarrungspunkt. Sie gehen vielmehr beim Erwärmen durch langsames Erweichen über einen bestimmten Temperaturbereich (Transformationsbereich; Erstarrungsbereich) in den flüssigen Zustand über. So können Gläser verformt werden.

Amorphe Stoffe sind isotrop im Gegensatz zu den anisotropen, kristallinen Stoffen. Das heißt, Glas ist homogen und besitzt keine bestimmte Vorzugsrichtung für bestimme Eigenschaften (physikalische Eigenschaften, biologische Parameter). Ein Beispiel für einen natürlichen amorphen Stoff ist flüssiger Honig.

Glas ist weitgehend resistent gegenüber den meisten Chemikalien. Eine Ausnahme ist Flusssäure (HF), die Glas ätzt.

Die auffälligste Eigenschaft von Glas ist seine optische Durchlässigkeit. Daneben existieren auch Gläser, bei denen durch Zumischung bestimmter Stoffe die Durchlässigkeit gemindert oder ganz blockiert wird. So existieren beispielsweise Gläser, die Wärmestrahlung (Licht des infraroten Spektralbereichs) nicht durchlassen. 

Und manche Brillengläser werden bei Sonneneinstrahlung automatisch dunkel (phototroper oder photochromer Effekt) und verwandeln sich so in eine Sonnenbrille. Dies beruht auf einer dünnen Schicht mit phototropen Molekülen auf der Brillenglasoberfläche, die sich bei UV-Strahlung anders ausrichten und das Glas abdunkeln. Früher waren in phototropen Gläsern Silberhalogenide enthalten. Bei Einstrahlung von ultraviolettem Licht wurde atomares Silber ausgeschieden, welches das betreffende Glas dunkel färbte [2].

Der Werkstoff Glas hat schon immer auch Architekten inspiriert. Bei Glasfassaden denkt man spontan an die anfänglich heftig umstrittene und von Kritikern verspottete Glaspyramide im Innenhof des Louvre in Paris (Titelfoto oben). Heute gilt der Haupteingang für dieses bedeutende Museum in der französischen Hauptstadt mit seinen 603 rautenförmigen und 70 dreieckigen Glassegmenten als architektonische Meisterleistung, die oft nachgeahmt wurde. 

Glasfenster zählen generell zu den ästhetischen Hauptelementen für die Gliederung einer Fassade. Trinkgläser in den verschiedensten Ausführungen sind Gegenstände unseres Alltags. An dieser Stelle sei des Weiteren an den lebensrettenden Charakter von Sicherheitsglas erinnert, aus dem zum Beispiel die Scheiben unseres Autos gefertigt sind.

Bei der SCHOTT AG, heute in Mainz, blieb die Entwicklung nicht stehen, und man fertigte ab 1971 – zunächst in einer kleinen Serie – Geräte aus temperaturwechselbeständigem Glas an. Unter dem Markennamen Ceran^TM werden heute Glaskeramiken gehandelt, die eine hohe Durchlässigkeit für Wärmestrahlung, aber eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Beständigkeit gegenüber einem Temperaturwechsel aufweisen. „Ceran“ wurde umgangssprachlich zum Synonym für Glaskeramik-Kochfelder. Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Glaskeramik führt dazu, dass der Bereich neben der Kochstelle kalt bleibt.

Der Beitrag wurde vom Arbeitskreis Öffentlichkeitsarbeit der Seniorexperten Chemie, einer Fachgruppe der Gesellschaft Deutscher Chemiker, erstellt. 

Autor: Prof. Dr. Eberhard Ehlers (bearbeitet durch kjs, Redaktion FaszinationChemie)

[1] https://www.planet-wissen.de/technik/werkstoffe/glas/index.html

[2] https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/wie-funktionieren-selbsttoenende-sonnenbrillen/

Titelfoto: Glaspyramide im Innenhof des Louvre in Paris Benh LIEU SONG, Cour Napoléon at night - Louvre, CC BY-SA 3.0)