Università degli Studi di Genova
Dipartimento di chimica e chimica industriale
Progetto Lauree Scientifiche
Laboratori Regionali
2009-2010
Scienza dei Materiali
L’ARTE DI MURANO
Preparazione di vetri colorati
Dr. Riccardo Carlini
Il vetro si formò, inizialmente, in modo naturale a seguito di fenomeni
terrestri che portarono ad innalzamenti repentini della temperatura
ed alla fusione di sabbia, quarzo e rocce silicee. Si suppone che a
scoprire questo materiale fossero stati i Fenici, i quali, accendendo
grandi fuochi sulle rive del fiume Belo in Siria provocarono la fusione
di blocchi di nitrato di sodio e diedero origine a granuli di materiale
duro e semitrasparente. Da Alessandria, centro principale della
produzione e dello sviluppo di nuove tecniche, le conoscenze e i
manufatti vennero esportati in Grecia e a Roma. L'Impero Romano,
con
la
sua
intensa
attività
commerciale
e
la
sua
politica
espansionistica, contribuì enormemente alla diffusione della tecnica
vetraria. Furono, infatti, i Romani che incominciano ad introdurre
questo materiale nell'architettura: le ville d’età imperiale ed i
maestosi edifici pubblici sono impreziositi da questo materiale ormai
prodotto in diverse forme e colori.
“il vetro è uno stato della materia che mantiene l’energia, il volume
e l’arrangiamento atomico di un liquido, ma per la quale i
cambiamenti di energia e volume con la temperatura e pressione
sono simili in grandezza a quelli di un solido cristallino”.
Forma
cristallina
Forma
amorfa
La struttura dei vetri può essere vista come un insieme di atomi
che, a differenza dei solidi cristallini, non sono disposti in modo
ordinato e periodico: nei vetri manca l’ordine a lungo raggio
degli atomi, come si vede in Figura dove sono mostrate le
strutture della silice cristallina e di quella vetrosa o amorfa.
Gli ossidi che costituiscono il vetro sono classificati come
formatori o modificatori. Gli ossidi formatori (ad esempio B2O3,
GeO2, P2O5) sono costituiti da elementi che entrano nel reticolo del
vetro. I modificatori (ad esempio gli ossidi dei metalli alcalini Na2O,
K2O e alcalino terrosi MgO, CaO) rompono la continuità del reticolo
modificando drasticamente le proprietà chimiche e fisiche del
vetro: abbassando la temperatura di transizione vetrosa rendono il
vetro lavorabile a temperature inferiori. Il triossido di diboro, o
anidride borica, B2O3, è presente come componente essenziale nei
vetri resistenti alle escursioni termiche (vetro pyrex) e negli smalti.
La presenza di piccole quantità di anidride borica nei vetri
impartisce brillantezza, migliora la resistenza chimica, riduce il
coefficiente di dilatazione e facilita la fusione e l’affinaggio.
E’ possibile impartire ai vetri un colore particolare aggiungendo
costituenti secondari, come ossidi metallici e di ossidi di metalli
di transizione, che raramente superano il 10% della massa totale
e spesso sono presenti in concentrazioni minori del 5%. Per
l’ottenimento di vetri opachi, invece, è necessario unire ai
reagenti una sostanza immiscibile che si disperderà finemente
all’interno del vetro diffondendo la luce ed impedendone la sua
trasmissione attraverso il vetro.
Il ferro, ad esempio, impartisce una colorazione verde al vetro in
quanto è presente solitamente come miscela di ioni ferrosi (Fe2+),
che colorano di blu il vetro e di ioni ferrici (Fe3+), che lo colorano di
giallo; l'effetto combinato dei due ioni è il familiare colore verde
delle bottiglie.
Gli ioni rameici (Cu2+ ) danno al vetro un colore blu luminoso,
mentre gli ioni rameosi (Cu+) un colore rosso.
Il Co3+ può dare una colorazione blu o rosa a seconda della
matrice vetrosa da cui è circondato.
L’aggiunta degli ossidi delle terre rare impartisce al vetro
un’intensa colorazione: ad esempio il Ce2+ conferisce una
colorazione gialla e il Nd3+ rende il vetro violetto.
I due fattori principali che controllano lo stato d’ossidazione dei
metalli di transizione sono quindi le condizioni redox della fornace
e le reazioni redox fra i vari ioni dei metalli di transizione presenti
nel fuso.
ATTIVITÀ PRATICA
Gli studenti peseranno quantità diverse di ossidi in polvere, li
misceleranno e li introdurranno in crogioli per il trattamento
termico.
Un esercitatore porrà i campioni in un forno ad elevata
temperatura (1000°C) nel quale si avrà la fusione delle polveri. Al
termine del trattamento l’esercitatore estrarrà il crogiolo dal
forno e verserà il liquido su lastra di alluminio o in stampi di
grafite per favorirne un rapido raffreddamento.
Gli studenti potranno osservare le diverse colorazioni impartite
da ossidi diversi e la diversa intensità del colore a seconda della
quantità di ossido di metallo di transizione aggiunto.
Materiali
SiO2, B2O3, Na2CO3, CeO, MnO, Nd2O3, CuO, FeO, Fe2O3, Co2O3
Crogiolo refrattario
Mortaio e pestello in porcellana
Bilance
Procedura
Pesare separatamente su vetro d’orologio 7.8 g di silice, 10.1 grammi di
anidride borica, 15.9 g di carbonato di sodio. Unire le tre sostanze nel
mortaio e amalgamarle con il pestello fino ad ottenere una polvere sottile.
Usare dei movimenti rotatori e non percussivi per evitare che la silice,
molto volatile, si disperda nell’ambiente circostante. Introdurre la miscela
polverizzata nel crogiolo refrattario e porlo in muffola a 1000°C per
mezz’ora circa. Estrarre con le pinze il crogiolo dalla muffola e colare il
materiale fuso sulla lastra di alluminio. Reinserire il crogiolo in muffola per
evitare che si frantumi a causa della forte escursione termica. Attendere
la solidificazione ed il raffreddamento dei vetri. Caratterizzare
macroscopicamente il prodotto.
Buon Lavoro !
“Si usa uno specchio di vetro per guardare il
viso e si usano le opere d’arte per guardare
la propria anima”
George Bernard Shaw