Glasbearbeitung

Geschichte der Glasherstellung

Die Glasherstellung ist der Menschheit schon seit dem Altertum bekannt. Die alten Ägypter brachten die Technik der Glasherstellung zu den Griechen und den Römern. Über die Römer gelangte sie nach Mitteleuropa. Die ersten Glashütten entstanden in Deutschland im 10. Jahrhundert in den Wäldern Bayerns und Böhmens.

Zur Herstellung von Glas werden Sand (Siliciumdioxid, SiO₂), Kalk (Calciumcarbonat) und Pottasche (Kaliumcarbonat) gemahlen, in einem bestimmten Mischungsverhältnis gemischt und in Schmelzöfen geschmolzen. Die Carbonate dienen als Flussmittel zur Erleichterung des Schmelzens. Bei 900 °C backt das Gemisch zusammen, wobei Kohlenstoffdioxid frei wird. Bei etwa 1500 °C entsteht eine klare Schmelze, die nach dem Abkühlen durch Blasen mit dem Mund oder mit Pressluft, Pressen, Walzen oder Ziehen in die gewünscht Form gebracht wird. Heute noch werden viele Glasgeräte für das chemische Labor von Hand angefertigt und durch Glasblasen hergestellt.

Durch die Zugabe von Metalloxiden lässt sich das Glas färben. Im Goldrubinglas ist es zum Beispiel kolloidales Gold, das die Rotfärbung erzeugt. Beim lachsfarbenen Rosalinglas wird dem Glas bei der Herstellung eine Selenverbindung zugesetzt, beim blauen Cobaltglas eine Cobaltverbindung. In der frühen Alchemie besaß man meist nur grünes Waldglas, das eine relativ schlechte Qualität aufwies. Die Herstellung erfolgte aus Buchenasche und Sand, der mit Eisenoxid verunreinigt war. Dadurch entstand die dunkelgrüne Färbung. Da die Herstellung der Pottasche viel Zeit und Mühe kostete, war der Preis für Glas im Mittelalter sehr hoch. Das änderte sich erst ab dem Jahr 1794 durch den Franzosen Nicolas Leblanc (1742–1806). Er entwickelte in Paris ein Verfahren zur industriellen Herstellung von Soda. Dieses ersetzte die bis dahin für die Glasherstellung verwendete Pottasche.

Glassorten

Im chemischen Labor kommen je nach Einsatzgebiet verschiedene Glassorten zum Einsatz. Grundaufbau ist Siliciumdioxid, das mit verschiedenen Zusätzen versehen ist. Für Glasstäbe und Glasrohre zum Biegen wird häufig Kalknatronglas eingesetzt. Es ist auch unter dem Markennamen AR-Glas erhältlich. Die Herstellung erfolgt durch das Zusammenschmelzen von Siliciumdioxid mit Natriumcarbonat (Soda) und Calciumcarbonat (Kalk). Es bildet sich ein Silicatglas mit bis zu 15 % Anteil Natriumoxid und bis zu 12 % Anteil Calciumoxid. Aufgrund des Erweichungspunkts von 695 °C kann dieses Glas mit einem gewöhnlichen Brenner geschmolzen werden.

Für die meisten Glasgeräte im Labor wird Borosilicatglas eingesetzt. Es wurde 1887 in Jena durch den deutschen Chemiker Otto Schott (1851–1935) unter der Bezeichnung Borosilicatglas 3.3 auf den Markt gebracht. Dieses Glas ist auch unter dem deutschen Markennamen Duranglas^® bekannt. Im Jahr 1911 brachte Schott ein Borosilicatglas für Ampullen und Arzneiflaschen unter der Markenbezeichnung Fiolaxglas^® auf den Markt. Seit den 1920er-Jahren wird Otto Schotts Erfindung unter dem Markennamen Jenaer Glas^® für Haushaltswaren eingesetzt. Supremaxglas^® ist ein Borosilicatglas mit einer besonders hohen Temperaturbeständigkeit der Firma Schott. Es enthält bis zu 26% Aluminiumoxid und bis zu 12% Magnesiumoxid. Dieses Glas eignet sich besonders für Verbrennungsrohre im Labor.

Borosilicatgläser besitzen im Vergleich zum Kalknatronglas einen wesentlich geringeren Längenausdehnungskoeffizienten und sind aufgrund ihres Bortrioxidgehalts (bis 13 %) beständig gegen Temperatusschwankungen und Chemikalien. Der Wert α = 3,3/10⁶K bedeutet, dass sich ein 1000 Meter langes Glasstück bei einer Erwärmung um 1 Kelvin nur um 3,3 mm ausdehnt. Je niedriger dieser Wert ist, umso weniger zerspringt das Glas bei schnellen Temperaturschwankungen. Neben dem Duranglas sind für Bechergläser und Kolben auch preisgünstigere Borosilicatgläser auf dem Markt, die einen etwas geringeren Bortrioxid-Gehalt aufweisen.

Die höchste Temperaturbeständigkeit weist das Quarzglas auf, das aus reinem Siliciumdioxid besteht. Ein auf Rotglut erhitztes Quarzglasrohr kann man sogar in kaltes Wasser werfen, ohne dass es zerspringt. Es hat aber auch Nachteile: Quarzglas ist sehr spröde, ein Quarzglasrohr zerbricht leicht, wenn es angeschlagen wird. Mit einem gewöhnlichen Laborbrenner kann man es nicht mehr erweichen. Quarzglas wird für Glasrohre, Verbrennungsrohre, Tiegel oder Quarzglaswolle verwendet.

Reinigen von Glas

Die Reinigung der Glasbehälter im chemischen Labor erfolgt mit Vorsicht. Reagenzglasbürsten, Pfeifenreiniger (für Rohre) und andere Bürsten aller Art dienen zusammen mit einem Spülmittel zur einfachen mechanischen Reinigung. Bringt diese keinen Erfolg, benötigt man spezielle Reinigungsmittel. Für jede Verunreinigung ist ein spezielles, chemisches Reinigungsverfahren notwendig:

In der Schulpraxis haben sich universelle Reinigungskonzentrate wie Extran^®oder aber auch gewöhnliche Geschirrspülmittel bewährt. Dabei sind die entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen zu beachten, zum Beispiel beim Einsatz von Laugen, Säuren oder leicht entzündlichen Reinigungsmitteln wie Benzin oder Ethanol.

Zum Trocken der Glasgeräte werden sie kurz mit destilliertem Wasser abgespült – um Kalkreste zu verhindern – und dann an ein Abtropfgestell gehängt. Zum schnellen Reinigen oder Trocken eignen sich auch Geschirrspülmaschinen oder Trockenschränke. Geeichte Behälter dürfen nicht in einem Trockenschrank getrocknet werden. Die Aufbewahrung aller Glasbehälter erfolgt in staubgeschützten Schränken oder Schubladen.

Verbinden von Glasapparaturen und Glasrohren

In den Schulen werden Glasrohre durch einfache und möglichst kurze Schlauchstücke miteinander verbunden. Es empfiehlt sich die Anschaffung einer Standardweite für Glasrohre mit einem Außendurchmesser von 8 mm. Dazu passen Gummischläuche mit einem Innendurchmesser von 7 mm. Vor dem Aufsetzen eines Schlauches befeuchtet man die Glasrohre ein wenig mit Wasser oder Glycerin. Das Festbacken der Schläuche am Glasrohr lässt sich durch die Verwendung von Siliconöl vermeiden. Zum Trocknen werden die Schläuche aufgehängt. Alte und hart gewordene Schläuche sind zu entsorgen, da sie nicht mehr dicht sind.

Vakuumschläuche besitzen eine dicke Wand und werden zum Beispiel beim Evakuieren von Geräten mit einer Wasserstrahlpumpe benötigt. Siliconschläuche sind hitzebeständiger und flexibler, sie eignen sich für entsprechende Experimente. Für transparente Schlauchverbindungen verwendet man klare PVC-Schläuche. Bei Gasen oder auch Flüssigkeiten wie Benzin, die Gummi angreifen, müssen Schliffverbindungen eingesetzt werden.

Verschluss von Glasapparaturen

Reagenzgläser und Kolben werden mit Gummistopfen verschlossen. Zum einfachen Verschluss eignen sich für die Schule Stopfen aus Gummi. Bei durchbohrten Stopfen ist die Verwendung von Siliconstopfen empfehlenswert, da bei vielen Experimenten mit heißen Gasen gearbeitet wird, die die Stopfen angreifen. Bohrungen in Siliconstopfen können auch selbst mit Stopfenbohrern gebohrt werden. Beim Einführen von Glasrohren oder Thermometern in die Stopfenbohrungen wird das Rohr vorher mit Wasser oder mit Paraffinöl gleitfähig gemacht. Dann führt man das Rohr vorsichtig ein. Zum Schutz vor Glasbruch ist beim Einführen und vor allem auch beim Herausdrehen des Rohres das Tragen von Schutzhandschuhen oder die Verwendung von Lappen empfehlenswert. Sitzen Glasrohre in Bohrungen fest, lassen sie sich durch Kneten oder Einführen von Wasser in die Zwischenräume lockern.

Technik der Glasbearbeitung

Einfache Glasgeräte für das Labor wie Pipetten, Glasrohrstücke oder Glasstäbe lassen sich selbst herstellen. Zum Schneiden von Glasrohren und Stäben eignen sich Ampullenfeilen oder Dreikantfeilen. Diese werden aber relativ schnell stumpf. Besser sind Glasmesser, die in einem Führungsschlitz eine gebogene Klinge aus Widiastahl enthalten. Dieser Hartstahl besteht aus einer Legierung mit Wolframcarbid und Cobalt. Wenn man das Messer nicht fallen lässt, bleibt die Klinge ein ganzes Chemikerleben lang scharf.

Bevor man mit dem Glasbearbeiten beginnt, richtet man sich einen Arbeitsplatz ein und achtet vor allem auf die Sitzhaltung: Man sitzt aufrecht vor dem Tisch und stellt die Ellenbogen auf den Tisch, so dass die Unterarme parallel zueinander stehen. Der Brenner sollte auf einer feuersicheren Unterlage genau zwischen den beiden Händen stehen.

Schneiden von Glasrohren oder Glasstäben

Das Glasrohr oder der Glasstab wird an der gewünschten Stelle mit Hilfe des Schneidwerkzeugs ein wenig eingeritzt. Dann fasst man das Glasrohr mit beiden Händen so, dass die Daumen gegenüber dem Ritz mit ein bis zwei Zentimeter Abstand liegen. Mit leichtem Druck der Daumen wird das Glasrohr gegen den Ritz nach außen in eine Biegebewegung versetzt (vgl. Abbildung unten). Dabei bricht das Glasrohr im Idealfall genau an der Ritzstelle auf und bildet eine scharfe Kante. Diese wird danach durch senkrechtes Halten in die rauschende Brennerflamme und durch ständiges Drehen rundgeschmolzen.

Ausziehen einer Spitze

Das Glasrohr wird mit beiden Händen an den Enden gehalten und genau in der Mitte durch vorsichtiges Drehen gleichmäßig in einem möglichst breiten Bereich erwärmt. Der Drehimpuls sollte nur aus Daumen und Zeigefinger kommen. Sobald man spürt, dass die erhitzte Stelle weich wird, wird das Rohr aus der Flamme genommen und dann auseinandergezogen.

Je heißer die Stelle erhitzt wird, umso dünner wird die ausgezogene Spitze. Dabei lassen sich auch Kapillarröhrchen mit sehr geringem Durchmesser herstellen. Die ausgezogenen Glasrohre bricht man durch Ritzen mit einer Ampullenfeile auseinander. Man erhält zwei Teile, die sich zusammen mit einem Pipettenhütchen als Pipetten verwenden lassen.

Biegen von Glasrohren

Das Glasrohr wird unter ständigem Drehen (und Hin- und Herschieben, sofern man keinen Schlitzaufsatz besitzt) an einer ungefähr 5 cm breiten Stelle erhitzt. Sobald das Glas erweicht, darf es nicht mehr weiter gedreht werden. Man nimmt es kurz aus der Flamme und lässt es aufgrund der Schwerkraft ein wenig in eine Richtung biegen. Dann erhitzt man nicht mehr an der Biegestelle, sondern ein ganz klein wenig dahinter. Auf diese Art und Weise erhält man regelmäßige Biegungen ohne Knick.

Biegungen über 90 °C sind schwierig herzustellen und erfordern einige Übung. Für die Schule stellt man sich eine Grundausstattung mit verschiedenen Biegerohren selbst her. Pipetten, Glasstäbe und gebogene Rohren für Schülerübungen können die Schülerinnen und Schüler selbst produzieren.