L’ARTE DI MURANO Preparazione di vetri colorati 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 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