Известняк и мел — это горные породы, имеющие одинаковый химический состав, способные в ряде случаев заменять одна другую. Обе породы принадлежат к числу весьма распространенных на земле. Известковая, так называемая «бутовая», плита относится к числу самых обычных строительных материалов и используется для кладки фундаментов. Мел же представляет собой в основном скопление известковых панцирей мелких организмов. Он образует в природе мощные залежи, целые горы и широко применяется в строительном деле как материал для побелки стен и потолков.
Остановимся на явлениях, которые происходят в шихте, когда она подвергается действию высоких температур. Сода и известняк (или мел) представляют собой карбонаты, т. е. соли угольной кислоты. Под влиянием жара печи они будут диссоциировать, или распадаться, с выделенном газообразной углекислоты, которая удалится из печи вместе с продуктами горения — дымом. При этом от соды в шихте останется окись натрия, а от известняка (или мела) — окись кальция. Вот эти-то два окисла, соединившись с кремнеземом песка, и образуют стекло.
Таким образом, мы подошли к самому обычному, самому распространенному химическому составу стекла — натриево-кальциевому, который свойствен по меньшей мере девяти десятым всего выплавляемого на земном шаре стекла.
Теперь мы имели случай убедиться в справедливости высказанного выше замечания о дешевизне, легкодоступности сырых материалов стекловарения. Действительно: песок и известняк — распространеннейшие горные породы, стоимость которых на месте залегания практически равна нулю. Нужно понести некоторые затраты лишь на добычу их и доставку на завод, что не очень обременительно, так как месторождений песков и известняков в СССР множество, а стекольные заводы располагаются всегда поблизости от них.
Сравнительно более дефицитным компонентом стекольных шихт является сода. Эта знаменитая соль натрия известна с древнейших времен. Раньше она добывалась из воды некоторых озер, позднее также из золы солончаковых растений, а за последние полтора века содовое производство стало одной из самых мощных ветвей химической промышленности. Сода производится сотнями тысяч тонн в год и идет для удовлетворения нужд самых разнообразных отраслей народного хозяйства — в основном на мыловарение, текстильное и стекольное производства. Ввиду громадного спроса на этот материал со стороны самых разнообразных потребителей стекольная промышленность за последнее время начала заменять его другим, менее дефицитным, а именно — сульфатом натрия, или так называемой глауберовой солью. В СССР имеются неограниченные природные источники получения этой соли. В одном Кара-Богаз-Голе (заливе Каспийского моря) ежегодно осаждаются миллионы тонн сульфата, и стоимость его на стекольных заводах также определяется лишь затратами по добыче и доставке.
Варка стекла на сульфате идет не так легко, как на соде, требует несколько более высоких температур и нуждается в добавке в шихту угля, который помогает разложению глауберовой соли на окись натрия и сернистый газ.
Итак, мы выяснили, что в состав стекла, помимо кремнезема, должно войти минимум два вещества: окись натрия и окись кальция. Но оказывается, что вместо окиси натрия можно с успехом ввести окись калия, а вместо окиси кальция — окись магния, окись свинца, окись цинка или окись бария. Кроме того, часть кремнезема можно заменить некоторыми другими веществами, например борной или фосфорной кислотой. Наконец, в каждом стекле содержится небольшое количество глинозема, попадающее из стенок стекловаренного сосуда, всегда в какой-то очень небольшой степени растворяющихся в расплавленном стекле. Все эти вещества, участвуя в различных количественных сочетаниях, дают стекла с очень разными свойствами.
Изучив детально, как влияет каждый из перечисленных окислов металлов на то или иное свойство стекла, в какую сторону и насколько он это свойство изменяет, можно, варьируя состав стекла, изменять его свойства в желаемом направлении.
Например, мы знаем, что борная кислота, вводимая в стекло взамен щелочей, понижает коэффициент теплового расширения стекла и, следовательно, делает его более устойчивым по отношению к резким температурным скачкам, поэтому мы вводим бор в стекло, предназначенное для изделий, которые будут подвергаться внезапным изменениям температуры.
Мы знаем, что свинец сильно увеличивает показатель преломления стекла, и на основании этого мы вводим большое количество свинцового сурика в шихту хрусталя, из которого будут изготовляться художественные граненые изделия, главная красота которых заключается в многоцветной игре преломляющегося света.