Klaas Glass
Koostis
/ struktuur
Klaas
üldmõistena tähistab kõiki atomaarsel tasandil struktuurselt korrastamata
(amorfseid) tahkiseid, sõltumata konkreetsest koostisest ja keemiliste sidemete
iseloomust (kovalentsed, ioon-, molekulaar- ja polümeerklaasid, metallklaasid), mis eristuvad sellistena kristallilistest
tahkistes, kus ainet moodustavad osakesed paiknevad regulaarses kristallvõres
[1]. Praktikas tähistab termin “klaas” eelkõige silikaatklaase – materjale kus
ränidioksiidi SiO2 “supermolekuli” modifitseerivad mitmesugused
lisandid (nt. Na ja Ca ioonid). Tehnoloogiliselt oluline on, et taolised
lisandid alandavad oluliselt sulamistemperatuuri (täpsemalt –
klaasistumistemperatuuri – amorfsel kvartsil on see 1200 °C, aknaklaasil 550 °C). Anorgaanilised klaasid võivad moodustuda ka
teiste oksiidide baasil: boraatklaasid (B2O3) ja
fosfaatklaasid (P2O5). Kalkogeenklaasid on moodustunud
kalkogeenidest (S, Se, Te), mille keemiliselt seotud lineaarseid ahelaid võivad omavahel liita IV ja V rühma elemendid
(Si, Ge, Sn, As, Sb). Klaase võivad moodustada ka erinevad fluoriidid.
Omadused
“Krestomaatiliselt” on
(silikaat)klaas läbipaistev, värvuseta, habras ja kõva materjal,
lisandite ja töötlusega saab aga tema omadusi oluliselt modifitseerida (vt. ka
“Karastatud klaas”). Keemiliselt inertne (klaasi söövitab
fluorvesinikhape). Klaasi värvus on tingitud tema lisanditest, kas loodulikest
(toormes sisalduvatest) või spetsiaalselt sisseviidutest. Nn. tulekindlatesse
klaasidesse (nt Pyrex) on sisse viidud boori lisandit, mis vähendab
klaasi soojuspaisumist ja sellega seonduvaid ebasoovitavaid termilisi efekte.
Ka materjal, mida olmes tuntakse “kristallina” (kristallnõud, kristallühtrid)
on tegelikult klaas – suure pliisisaldusega (üle 20 kaalu% pliioksiidi) nn.
kristallklaas. Plii tõstab klaasi murduminäitajat ja sedakaudu klaasi pinnalt
tagasipeegelduva valguse hulka, andes kristallklaasile erilise sära. Ka muudab
plii klaasi pehmemaks ja seega hõlpsamini graveeritavaks. Klaasi omaduste
modifitseerimiseks kasutatakse tänapäeval laialdaselt ka pinnakatteid – klaasi
pinnale kantud erineva keemilise koostise ja struktuuriga ainekihte (vt nt “Isepesev klaas”). Klaaside mikrodünaamika (vedelik – klaas
üleminek, klaaside madalatemperatuursed
omadused) on ühed tänapäeva kondensaine füüsika aktuaalsetest probleemidest.
Saamine
Looduslik kvartsklaas on tekkinud vulkaanilise tegevuse tagajärjel
(vt. “Obsidiaan”), välgulöögi
(vt “Fulguriidid”) või meteoriidi langemise (tektiidid) tulemusel
(vt. ka “Liibüa kõrbeklaas”).
Tehislikult saadakse kvartsliiva, lubja ja sooda sulatamisel
modifitseerivate lisandite manulusel. Ajalooliselt sai klaasisulatamine alguse
ilmselt keraamika glasuurimisest, varaseimad klaasileiud - Egiptusest pärit klaashelmed – arvatakse
olevat valmistatud umbes 2500 a. e. Kr. Klaas jõudis Eestisse esimesel
aastatuhandel, haruldaseimaks arheoloogiliseks klaasileiuks Eestist on Tartust
1987. a. leitud emailimaalingutega
klaaspeeker oletatava valmistamiskohaga Veneetsias.
Esimene Eestis tegutsenud klaasikoda oli Hüti
klaasikoda (1628 – 1664), erinevatel aegadel on Eestis tegutsenud
kokku üle poolesaja klaasitööstuse.
Üks
suuremaid ja kauem tegutsenud klaastööstusi Eestis oli Rõika-Meleski
peeglivabrik [2]. Selle 1792.a. algatatud tegevus on praeguseks lakanud ja jätnud
järele lagunevad tehasehooned Meleskis (Google Maps),
mille seinakrohist säravad vastu selle kaunistamiseks kasutatud värvilise
klaasi killud.
Ülevaate
Catharina – Lisetta tehaste kunagisest hiilgusest saab Ville Drevingu (vasakpoolsel
pildil) poolt Meleskis asutatud väikesest klaasimuuseumist [15.08.04].
Vasakult: Lisette-Meleski klaasimanufaktuuri
mälestustahvel Meleskis; vanad Meleski klaasimeistrid mälestuskivi avamisel
23.07.2005 – istub Arkadi Laur, seisab Meinhard Välba; Meleski-ümbruse teede
täiteks on suurel hulgal kasutatud praakklaasi.
Vasakult:
omavalmistatud gaasiküttel klaasisulatusahi Drevingute koduõues; töötav ahi;
klaasimeister Ants Leinberg (Karinu klaasikoda [23.07.05]) on ahjust klaasipiibuga võtnud
tombu sulaklaasi klaasloomakese valmistamiseks.
1879.
a. algas klaasitootmine Järvakandis, kus praegu AS Järvakandi Klaas
[22.02.08] toodab põhiliselt purke-pudeleid toiduainete, keemia- ja
farmaatsiatööstusele. Järvakandi klaasiloost annab ülevaate sealne klaasimuuseum
[22.02.08], mis asub Järvakandi klaasitehase endises tööliselamus (paremal
muuseumi juhataja Allan Kima).
Vasakult:
vana klaasikoja (“Glashütte Ierwakant ”) asendiplaan; pudeliautomaat;
pudelivorm.
Vasakult:
klaassilinder, mille lahtilõikamisel sai aknaklaasi; tahvelklaasi (aknaklaasi) tõmbamise
seade (sulast klaasimassist); selle tõmmits (“kamm”) ja tükike tõmmatud klaasi
ülaservast.
Vasakult:
Järvakandis toodetud elektriisolaatorid; paketeeritud pudelid.
Eestis on tulemuslikult tegeldud
ka uute klaasisortide arendamisega. Tehase “Tarbeklaas” juures
tegutsenud klaasilaboris (juhataja Rein Leidtorp) töötati 1970.-1990. aastatel
välja rekordiliselt suure Abbe indeksiga optiliste fluoriid-fosfaatklaaside
sordid (klaasid, mille murdumisnäitaja väga vähe sõltub lainepikkusest),
mis leidsid tunnustust rea välispatentide (Jaapani, Inglise, Prantsuse, Saksa)
näol.
Rakendused
Aknaklaas, optilised elemendid, mahutid, dekoratiivsed
rakendused, konstruktsiooni(ehitus-)materjalina (klaastellis). Ülipuhas kvartsklaas (lähtematerjaliks
olev ränidioksiid saadakse kõrge puhtusastmega räniühenditest keemilisel sünteesil)
on kasutusel sidetehnikas optiliste fiibritena (vt. ka “Valgusjuht”). Klaasist on kavas
valmistada Tallinnasse Vabaduse väljaku äärde püstitatav Vabadussammas
[26.12.07].
Näidised
E60.1. Meleski peegliklaas. See tükike pärineb Meleski klaasivabriku varasest (praak)partiist
(u. aastast 1795). Klaasipinnal on näha “lainetus”, mille väljalihvimine pole
võimalik. Klaasi praakpartiist jagati kohalikele töölistele, veel praegugi võib
seda leida mõne sealse hoone aknaavast – välja vaadata läbi selle eriti ei saa,
valgust laseb aga sisse küll.
E60.2.
“Böömi klaas” Värvilist klaasi Meleskis ise kokku ei “keedetud”, vaid toodi
sisse Saksamaalt.
E60.3. Aknaklaasi kild (vt. D60.1).
E60.4. Osaliselt
kristalliseerunud optilise klaasi näidis “Tarbeklaasi” laborist. Kristalliseerunud osad on piimjad – hajutavad
tugevalt valgust.
E60.5. Uranüülklaasist kauss. Kollakas-roheka kahkja värvuse annavad
uranüülklaasile (vaselin glass)
uranüülioonid (UO2)2+. Uraani radioaktiivsuse
tõttu tänapäeval uranüülklaasi tarbeesemete valmistamiseks ei kasutata.
E60.6. Koobaltklaas. Intensiivse sinise värvuse annavad klaasile
koobalti ioonid (Co2+). Koobalt on äärmiselt tugev värvija, juba 1 :
500 000 kaaluosa koobaltoksiidi (CoO) klaasis annab sellele sinaka varjundi.
E60.7. Mattklaas – elektripirni
kolb. Klaasi
mateerimiseks kasutatakse tema söövitamist fluorvesinikhapet (HF) või
ammooniumbifluoriidi (NH4HF2) sisaldavate segudega,
taoliselt on töödeldud mattklaasist kolvi sisepind (vt ka E60.11
„„Nanoklaasiga“ kaetud hõõglambi kolb“ veel ühe mooduse kohta hõõglambi
valguse hajutamiseks).
E60.8. Swarowski kivid - suure murdumisnäitajaga pliiklaasist
lihvitud dekoratiivdetailid (SS20 = dia 4,6 ... 4,8 mm). Nimi pärineb Austria
klaasilõikajalt ja juveliirilt Daniel Swarowskilt (1862-1956), kes aastal 1892
patenteeris elektrilise klaasilõikepingi, mis suuresti edendas pliiklaasi
kasutust juveelidena.
E60.9. Opaalklaas (opal glass), ka piimklaas (milky
glass) sisaldab valgust hajutavaid osakesi (nt CaF2 mikrokristalle),
mis annavad talle piimja väljanägemise.
E60.10. Kristallklaasist
prisma. Pliisisalduse
tõttu on kristallklaasil suur murdumisenäitaja, miska ta peegeldab tagasi
suhteliselt palju valgust. See annab talle erilise, “kristalse”, sära.
E60.11. „Nanoklaasiga“ kaetud
hõõglambi kolb. „Nanoklaas“on nanoskoopilistest kvartsklaasi
osakestest koosnev pulber (ränidioksiidi „suits“, ik silica fume), mida saadakse gaasifaasis toimuva keemilise
reaktsiooni tagajärjel (2H2 + O2 +
SiCl4 → SiO2 + 4HCl). Kasutatakse üliläbipaistvate
optiliste fiibrite tootmiseks, hõõglampide kolvi sisepinna katmiseks valgust
hajutava kattega jt eesmärkidel. Parempoolsel fotol on hajutav kate kolvi
killult osaliselt kõrvaldatud (vt ka
E60.7 „Mattklaas –elektripirni kolb“ veel ühe mooduse kohta
hõõglambi valguse hajutamiseks)
E29.10. Nanovasega
värvitud klaas. [5]
E76.2. Rubiinklaas.
Demod,
katsed
D60.1. Klaasi purunemine.
...
Holmes uuris parajasti põrandal lebavaid
klaasikilde, kui leedi Mapleton tuppa astus. Detektiiv tõusis, kummardus
jäigalt ja asus läbitungimatul ilmel kuulama daami pisut närvilisi seletusi
selle kohta, kuidas too kõrvaltoas olles klaasiklirinat kuulis ja kohale
tormates purustatud akna eest leidis. Eelnevate päevade sündmustest juba niigi
segaduses ja ärevuses, oli ta helistanud oma tuttavale küsimaks, mida teha ja
see oli lubanud kohale tulla asja arutama. Juttu tuli paus. Mõne hetke oodanud,
ütles Holmes: “Te valetate, armuline!” ...
...
“Elementaarne, Watson,” ütles Holmes. “Muidugi
oli selle kuritöö selgitamiseks oluline, kummalt poolt tuli löök, mis
aknaklaasi purustas. Noor Aspengrow oli piisavalt nutikas, toimetamaks õue
kukkunud klaasikillud tagasi tuppa põrandale ja leidmaks ka paraja suurusega kivi,
mis nende lugu kinnitama pidi. Paraku .... Eristamaks klaasi väliskülge
siseküljest vihmatilkade kuivamisjälgede järgi ei pea olema maailmakuulus
detektiiv ega isegi mitte aknapesija. Edasisteks järeldusteks tuleb tunda
“kolme R-i reeglit”. Klaasi purunemisel löögi tagajärjel jäävad
klaasikildude servadele kaarduvad murrujooned. Eriti selged on nad kildudel,
mis tekkivad löögikoha vahetus läheduses. Radiaalsetel (i.k. Radial)
murdeservadel on need jooned löögipoolse pinna lähedal paralleelsed pinnaga,
jõuavad aga kaardudes tagaküljele (i.k. Reverse) välja
täisnurga (i.k. Right angle) all. Need märgid ei jätnud
mingit kahtlust, et aknaklaasi purustanud löök tuli seestpoolt,
erinevalt sellest, milles leedi Mapleton meid veenda püüdis.” Holmes vaikis
hetkeks. “Ma ei mõista teda hukka meile valetamise pärast. Armastuse nimel on
tehtud palju hullematki. Iseasi muidugi, kas noor Aspengrow on mees, kes seda
väärib.” Viimases küsimuses paistis Holmes olevat eriarvamusel.
/Sherlock
Holmesi avaldamata juhtumitest/
D60.2. Uranüülklaasi
luminestsents.
Uranüülklaasi (E60.5) karakteerseks tunnuseks
on uranüülioonide erkroheline luminestsents, mis ilmneb klaasi kiiritamisel
UV-valgusega.
D60.3. Uranüülklaasi
radioaktiivus. Kuna uranüülklaas
sisaldab ebastabiilseid U-238 ja U-235 tuumi (ja nende ebastabiilsid
lagusaadusi – tütartuumi, nt Th-234 ja Pa-234m), siis on ta nõrgalt
radioaktiivne. Näidise E60.5 kiirgustase jääb
siiski foonilähedaseks ja on mõõdetav vaid tundliku gammaspektromeetriga (E.
Realo & K. Realo, TÜ Füüsika Instituut, vt. joonis).
D60.4. Mattklaas hajutab
valgust. Mateeritud
(vasakul) ja mateerimata (paremal) klaasiga hõõglambid.
Kõrvaloleval fotol on võrdluses näha
mateeritud klaasiga pirni kolvi sisepind (alumine kild, matt, hajutab valgust)
ja välispind (ülemine kild, peegeldab valgust).
D60.5. Kumb pool käis
tinavannis? Siledapinnalise
tahvelklaasi valmistamiseks on tänapäeval levinud nn Pilkingtoni
protsess [27.11.07], kus sulatusahjust väljunud klaasimass jahutatakse maha
sulatina pinnal, kus vedel klaas oma raskuse mõjul laiali valgub.
Kuna selliselt toodetava klaasi üks pind on kontaktis sulatinaga, rikastub see
difusiooni tõttu tinaioonidega. Uuringud on näidanud, et see pind sisaldab
oluliselt rohkem defekte ja on seetõttu halvemate mehhaaniliste omadustega
(väiksem tõmbetugevus). Selle otseseks põhjuseks pole eelkõige siiski mitte
tinasisaldus, vaid asjaolu, et klaasi mahavõtmisel tinavanni pinnalt on just
see klaasi pool kontaktis rullikutega. Kumb pindadest tinaga kontaktis oli,
saab antud klaasitahvli korral selgitada, kasutades tinaioonide poolt klaasis
tekitatavat luminestsentsi. Kiiritades klaasi UV-valgusega, on “tinapoolel”
täheldatav luminestsents oluliselt intensiivsem, kui mujal. Fotodel on 4 mm
aknaklaasist horisontaalne plaat pildistatud altpoolt tulevas UV-valguses
servast (pisut kõrgemalt plaadi tasandist). Vasakpoolsel fotol (“tinapool” all)
on näha alumise pinna intensiivne luminestsents UV-valgustatud ringikujuliselt
alalt. Parempoolsel fotol on samas asendis plaadil “tinapool” ülal.
D60.6. Kuum klaas juhib
elektrit.
Toatemperatuuril on silikaatklaas elektriisolaator, tema juhtivus aga kasvab
oluliselt kõrgematel temperatuuridel, kus klaas hakkab pehmenema. Seda
demonstreerib lihtne katseseade, mis koosneb kahest järjestikku ühendatud 150 W
hõõlambi pirnist. Ühel neist on kolb purustatud ja hõõgniit kõrvaldatud – alles
on vaid hõõgniidi klaasist tugi selle sisse sulatatud kahe metalltraadist
toitejuhtmega. Kui rakendada skeemile võrgupinge toatemperatuuril, siis klaasi
suure takistuse tõttu vool seda praktiliselt ei läbi ja (terve) indikaatorlamp
ei põle. Kuumutades gaasipõletiga klaastuge, kahaneb klaasi takistus ja kasvab
vool, mis kõrgematel temperatuuridel on piisav indikaatorlambi süütamiseks.
Järgnevas võib gaasileegi ka kõrvaldada – klaasi oomilisel takistusel eralduv
soojus on piisav voolu tagava temperatuuri hoidmiseks, seda näitab ka klaasi
hõõgumine maksimaalse voolutiheduse piirkonnas metalltraatide vahel.
Klaastugi külmas (vasakul) ja hõõguvas olekus,
klipp (.avi, 626 kB, 42 s).
D60.7. Opaalklaas hajutab
valgust. Piltidel on
opaalklaasist “Swarowski kivi” (E60.9, vasakul) võrdluses läbipaistvast
värvuseta kristallklaasist “kiviga” (E60.8, vasakul).Tugeva valge valgusallika
kujutised on kõik mitemkordsed peegeldused, st vastav valgus on läbinud klaasi.
Opaalklaas hajutab eelistatult lühemalainelist (sinist) valgust ja vähem
pikemalainelist (kollast-punast) valgust, seetõttu omandavad valgusallika
kujutised kollaka tooni. Samas tuleb kogu opaalklaasist lihvise ruumalast
hajunud sinakat valgust, kristallklaasis on aga hajumine nõrk ja suundades, kus
puuduvad väliste heledamate objektide peegeldused, on pilt must (tume).
D60.8. Kromaatiline
dispersioon. Murdumisnäitaja
sõltuvuse tõttu valguse lainepikkusest moodustuvad prismat E60.10 läbinud
päikesevalguses värvilised laigud – nähtava valguse spekter. Optilistes
riistades on kromaatiline dispersioon ebasoovitav, põhjustades värvilise
kujutise moonutust, nn kromaatilist aberratsiooni.
D60.9. “Nanoklaas”
hajutab valgust. Nanoskoopiliste kvartsklaasi
osakestega (E60.11) kaetud sisepinnaga hõõglambi kolb
(vasakult) läbivas valguses (luminestsentslambiga valgustatud valge paberi
taustal) ja tagasihajunud valguses (luminestsentslambiga eest valgustatud), vt
ka D21.2
“Räni paistab läbi”. Värvuste erinevus on tingitud asjaolust, et
nanoosakesed hajutavad tugevamini sinist valgust.
Viited
1. Is glass liquid or solid? [11.09.04]
2. A. Jõgi “Kodulugu: Catharina-Lisetta tehased
igatsevad hea omaniku kätt” (Sakala, 01.11.2003) [15.08.04]
3. Corning Museum of Glass: a Resource on Glass [11.09.04]
4. Glass, in “Webster’s Online Dictionary. The Rosetta EditionTM”
[18.09.04]
5. J-C. Lehmann “Glass and glass products”, Europhysics News,
Vol. 37, No. 6, pp. 23-27, 2006
[31.01.07]
6. Klaasist kui suhteliselt
“uuest” materjalist pole küllap oodata erilisi reflektsioone rahvasuus. Otsing
rahvausundi ja muistendite andmebaasis “Rehepapp”
[25.02.2008] räägib klaasist eelkõige kui joogiklaasist (viinaklaasist), ka
aknaklaasist, mainitakse klaasikildude (klaashelmeste) leidmist ohvripaikade
läheduses. Korra on nimetatud purukstambitud klaasi kui metsloomade (rebaste)
vastast vahendit (segada lihapallide sisse). Küllap põnevaim on “klaasmäe”
kujund järgnevas: “...
Koerakoonlased elasid maa ääre peal suure klaasmäe taga, kelle ette
kahele poole külge niisugune rohi oli loodud, mis kõik loomad kui ka inimesed
läbi lõikas, siis ei saand neid ilmas muul ajal näha kui palavaga jaanipäeva
aeg, sest siis oli klaasmägi tihke üles minekule ja siis koerakoonud
magasid sel ajal pikka und. Nende nägu õli pool inimese nägu ja pool koera nägu
ja kui nad pikka und magasid, siis kasvas neile siidivõrk ümber, siis käisid
inimesed neid üle klaasmäe siidist puhtaks koorimas ja nõnda said vanal
ajal siidi. Seda lugu on minu vanaemale minu vanaema ema rääkinud.” E 21703/4 <
Pilistvere khk., Kõo m. - Hans Keller (1895)>. Klaasmägi (mille oluliseks
kvaliteediks on libedus) figureerib ka F. R. Kreutzwaldi “Eesti rahva
ennemuistetes juttudes” (”Kuidas üks kuningatütar seitse aastat maganud oli”): “Pärast seda, kui see oli sündinud, ütles tark kuningale: “Nüüd saatke
mehi välja kõigile maadele ja laske kõik klaasvarandused üles osta, ma
tahan siis ühe ahju teha, suurema kui teie kuninga linn, kus see meie klaasi üheks mäeks sulatame. ... Kes neist kosilastest kas hobuse seljas ratsa
või oma jalgade peal käies klaasmäe harjale jõuab, see
peab teile väimeheks saama. ...” Kuningas tõotas targa tahtmist kõigis asjus
täita ja käskis sedamaid kõigilt ümberkaudu maadelt klaasivarad kokku osta, millega, kui kuues aasta lõpule läks, terve
penikoorem maad seitsme sülla kõrguselt sai täidetud. Vahepeal oli tark mees
oma sulatamiseahju valmis teinud, mille kõrgus ligi alamate pilvedeni ulatus.
Kuningas pidi temale kaks tuhat inimest abiks andma, kes klaasiahju täitsid; selle peale hakati klaasi sulatama, misläbi nii
kange palavus tõusis, et rabad, jõed ja väiksemad järved ära kuivasid, ...”
<Kirjastus Koolibri, 2006, lk 177-178>
Piibel
seevastu on pea täiesti “klaasivaba”: vaid Johannese ilmutustest leiame neli
viidet klaasile, sh kujundi klaasmeri.
Tänu: Ville Dreving, Allan Kima, Rein Leidtorp, Enn
Realo, Küllike Realo, Tiiu Sild
Koostas: JK
Viimati toimetatud: 24.06.08
Taust:
Sool-geel meetodil saadud TiO2 kile, AFM: Kristjan Saal