Schlaglicht: Glas

Leitartikel

Es ist &uuml;berall, wird aber trotzdem gerne &uuml;bersehen: Glas, ein Werkstoff mit Tradition und Zukunft. Glas ist inzwischen vielleicht sogar der Werkstoff, den wir t&auml;glich am intensivsten ber&uuml;hren &ndash; als Touchdisplays unserer Smartphones. Einst war jede Scherbe ein kostbares Gut, das immer wieder verwendet worden ist, seit die ersten Gl&auml;ser vor mehr als 5000 Jahren gefertigt worden sind. Fand Glas zuerst noch haupts&auml;chlich als Schmuck und f&uuml;r besonders wertvolle Gegenst&auml;nde Verwendung, diente es schon bald auch f&uuml;r eher gebrauchsorientierte Zwecke.
Heute pr&auml;gen in Deutschland gro&szlig;e Weltmarktf&uuml;hrer sowie hoch spezialisierte Hidden Champions &ndash; international erfolgreiche mittelst&auml;ndische Glas- und Anlagenbauer &ndash; die Glasindustrie. Da Gl&auml;ser &uuml;ber die Schmelze bei Maximaltemperaturen von in der Regel oberhalb von 1500 &deg;C gefertigt werden, sind diese Industriezweige besonders energieintensiv und sensibel f&uuml;r die aktuellen Preisturbulenzen. Zus&auml;tzlich setzen konventionelle Fertigungsverfahren CO2 frei; Wasserstoff ist jedoch eine hoffnungstr&auml;chtige Alternative auf dem Weg zur nachhaltigen, CO2-neutralen Glasherstellung.
Glas ist das vielleicht beste Beispiel f&uuml;r gelebte Nachhaltigkeit: Kaum ein anderes Material wird so umfassend wiederverwertet &ndash; und das ohne nennenswerte Qualit&auml;tsverluste. Nicht zuletzt deshalb erkl&auml;rten die Vereinten Nationen 2022 zum Jahr des Glases.
Chemiestudierende haben bereits in den ersten Laborpraktika mit Laborger&auml;ten aus Glas zu tun. Diese sind chemisch inert, durchsichtig und auch bei hohen Temperaturen best&auml;ndig. Aber moderne Gl&auml;ser sind noch viel mehr: Neben SiO2 bilden Alkalioxide, insbesondere Li, Na und K, sowie Erdalkalioxide, hier insbesondere Mg und Ca, die Hauptbestandteile der kommerziellen Gl&auml;ser. Das sind alles Elemente, die auf der Erde reichlich vorkommen, und die vor allem toxikologisch unbedenklich sind.
Daraus ergeben sich viele Anwendungen. In der Biomedizin spielen etwa hochinnovative biokompatible oder bioaktive Gl&auml;ser eine entscheidende Rolle. Ein Beispiel sind kristallisierende Gl&auml;ser, genannt Glaskeramiken, die als &auml;sthetisches Zahnersatzmaterial seit etwa zehn Jahren den Markt f&uuml;r hochwertige dentale Ersatzwerkstoffe dominieren. Nicht zu vergessen sind auch optische Glasfasern, ohne die ein Hochgeschwindigkeitsinternet nicht m&ouml;glich ist.
Die Entwicklung neuer Gl&auml;ser nutzt eine besondere Eigenschaft des Glases als nicht st&ouml;chiometrischer, nicht kristalliner Werkstoff: Bei einer gegebenen Glasrezeptur l&auml;sst sich n&auml;mlich fast nach Belieben die Zusammensetzung variieren und damit auch die Eigenschaften des Glases ver&auml;ndern &ndash; im Idealfall gezielt einstellen. Eine weitere Besonderheit ist, dass Glas keinen Schmelzpunkt, sondern einen Glas&uuml;bergangsbereich hat. Oberhalb dieser Temperatur wird das Glas graduell d&uuml;nnfl&uuml;ssiger, was man f&uuml;r die Formgebung technisch ausnutzt. Glas kann in Form von Bl&ouml;cken, Rohren, Hohlk&ouml;rpern und Flachglas preisg&uuml;nstig gefertigt werden. Der Glas&uuml;bergang z&auml;hlt &uuml;brigens zu den zehn wichtigsten, ungel&ouml;sten Probleme in der Festk&ouml;rperphysik &ndash; also noch Luft nach oben f&uuml;r die Forschung.
Doch die Glaswissenschaften einschlie&szlig;lich der Glaschemie werden in Deutschland in den letzten Jahren nur noch an wenigen Standorten betrieben. Das ist bedauerlich, k&ouml;nnen hier doch gerade die aufkommenden auf K&uuml;nstlicher Intelligenz basierenden Methoden bedeutende Forschungsfragen beantworten. So ist beispielsweise das Fraunhofer-Institut f&uuml;r Silicatforschung ISC am vom Bundesministerium f&uuml;r Bildung und Forschung finanzierten Projekt GlasDigital beteiligt, das die beschleunigte Entwicklung neuer Glaszusammensetzungen voranbringen will.
Lassen Sie uns das Jahr 2022 dazu nutzen, Glas nicht nur t&auml;glich neu zu verwenden, sondern auch neu zu denken.
Dr. Martin Kilo, Fraunhofer-Institut f&uuml;r Silicatforschung ISC, W&uuml;rzburg
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Meinungsbeitrag

2022 – das Internationale Jahr des Glases

Bildung + Gesellschaft

Artikel

Nicht ohne meinen Erlenmeyer

Ende des 17. Jahrhunderts begann sich Glas in Gestalt von Glasger&auml;ten in der chemischen Laborpraxis durchzusetzen. Ab dieser Zeit geh&ouml;rte die Kunst des Glasblasens bei der Entwicklung analytischer Messger&auml;te zu den Fertigkeiten praktisch arbeitender Chemiker. Einer von ihnen war der Dresdner technische Chemiker Walther Hempel (1851 &ndash; 1916).
Er hat die Gasanalyse, die f&uuml;r die gesamte Wissenschaft und Technik heute unentbehrlich ist, durch meisterliche Methoden und Apparatekonstruktionen in den Sattel gehoben&ldquo;, sagte der Chemiker und Rektor der Technischen Hochschule Dresden Fritz Foerster (1866 &ndash; 1931) im Jahr 1917 &uuml;ber Walther <xref rid="nadc20224125713-fig-0001" ref-type="fig">Hempel</xref>, der im Jahr zuvor verstorben war.1) Hempel, so erg&auml;nzte Foester, habe au&szlig;erdem die &bdquo;Chloralkali-Elektrolyse durch erstmalige Anwendung eines Diaphragmas ma&szlig;gebend beeinflusst&ldquo; und sei &bdquo;der geistige Vater der &hellip; aus der Metallurgie heute nicht mehr wegzudenkenden quantitativen Spektralanalyse&ldquo;.
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<figcaption><label>Abb. 1: </label>Walther Mathias Hempel (* 5. Mai 1851 in Pulsnitz; &dagger; 1. Dezember 1916 in Dresden). Quelle: Wikimedia Commons, gemeinfrei</figcaption>
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<h2>Biografisches</h2>
Walther Hempel wurde am 5. Mai 1851 in Pulsnitz in Sachsen geboren. Die Schulbildung erhielt Hempel am Annengymnasium zu Dresden, an dem er 16-j&auml;hrig das Maturit&auml;tsexamen bestand. Danach studierte er Chemie zun&auml;chst am damaligen K&ouml;niglichen S&auml;chsischen Polytechnikum zu Dresden. Ab September 1871 setzte er sein Studium an der Berliner Universit&auml;t bei August Wilhelm von Hofmann (1818 &ndash; 1892) und Adolf von Baeyer (1835 &ndash; 1917) fort. Ostern 1872 ging Hempel zu Robert Bunsen (1811 &ndash; 1899) nach Heidelberg, bei dem er bereits im Sommer des gleichen Jahres sein Doktorexamen mit &bdquo;summa cum laude&ldquo; bestand.
Nach seiner R&uuml;ckkehr nach Dresden arbeitete Hempel zun&auml;chst als Assistent in der Zentralstelle f&uuml;r &ouml;ffentliche Gesundheitspflege. Im Jahr 1876 wurde er Assistent von Rudolf Schmitt (1830 &ndash; 1898) am chemischen Laboratorium des Dresdner Polytechnikums und habilitierte sich zwei Jahre sp&auml;ter mit der Arbeit &bdquo;&Uuml;ber Technische Gasanalyse&ldquo;.
28-j&auml;hrig &uuml;bernahm Hempel zun&auml;chst vertretungsweise den Lehrstuhl f&uuml;r technische Chemie und wurde ein Jahr sp&auml;ter zum ordentlichen Professor f&uuml;r technische Chemie und zum Leiter des mit dieser Professur verbundenen Laboratoriums f&uuml;r anorganische und analytische Chemie berufen. Zweimal, in den Jahren 1891 bis 1893 und 1902 bis 1903, bekleidete er das Amt des Rektors.
<h2>Separierung der Absorptionsmittel</h2>
Hempel interessierte sich vor allem f&uuml;r anorganisch-technische und gasanalytische Fragen. In seiner Habilitationsschrift beschrieb er die Gasb&uuml;rette und die Gaspipette zur wissenschaftlichen Kl&auml;rung technisch-chemischer Prozesse. Zwar hatte Bunsen schon in den f&uuml;nfziger Jahren des 19. Jahrhunderts genaue Arbeitsweisen zur Analyse von Gasgemischen entwickelt, sie waren jedoch zu zeitaufwendig, um f&uuml;r kontinuierliche technische Betriebs&uuml;berwachungen eingesetzt zu werden. Sp&auml;ter suchte Clemens Winkler (1838 &ndash; 1904) nach einer allseitig befriedigenden L&ouml;sung, um die Gasanalyse an technische Bed&uuml;rfnisse anzupassen. Aber erst Hempel gelang es, dank seiner Fertigkeit in der Kunst des Glasblasens dieses technisch-analytische Problem zu l&ouml;sen. Denn seine Apparate waren einfach ausgef&uuml;hrt und besonders handlich. Die Hempel&lsquo;sche Messanordnung (<xref rid="nadc20224125713-fig-0002" ref-type="fig">Abbildung</xref> S. 25) setzt sich aus Gasb&uuml;rette, Ausgleichs- und Absorptionsgef&auml;&szlig; zusammen.
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<figcaption><label>Abb. 2: </label>Glasb&uuml;rette, wie sie Walter Hempel konstruiert hatte. Damit lie&szlig;en sich technische Gasproben unaufwendig analysieren. Quelle: Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1885, Heft 2</figcaption>
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Die besondere Erfindung Hempels bestand darin, dass er das Aufsammeln und Messen der zu analysierenden Gasprobe und deren Behandlung mit den Absorptionsmitteln, die die einzelnen Bestandteile des Gasgemisches diesem entziehen sollen, in getrennten Apparaten vornahm: &bdquo;jenes in der Gasb&uuml;rette, diese in Gaspipetten, deren jede nur f&uuml;r ein einziges, bestimmtes Absorptionsmittel dient, und von denen eine ganze Anzahl &hellip; stets gebrauchsfertig gehalten werden.&ldquo;2) Damit war er in der Lage, einfach, schnell und sicher beispielsweise Kokereigase, technisch hergestelltes Ethylen und in Elektrolysezellen entwickelte Gase zwecks Knallgas&uuml;berwachung zu analysieren.
Breite Anwendungen seiner Gasanalyse sah Hempel nicht nur in der chemischen Industrie, sondern auch in der Analytik der Gase in &bdquo;thierischen K&ouml;rpern&ldquo;, also in der Aufkl&auml;rung der Atmungs- und Verdauungsvorg&auml;nge durch Physiologen und Pathologen sowie in der Analyse der Gase in Kl&uuml;ften und Kratern.
<h2>Wirkung auf die Nachwelt</h2>
Im Jahr 1889 erschien die erste Auflage seiner &bdquo;Gasanalytischen Methoden&ldquo; &ndash; ein popul&auml;res Lehr- und <xref rid="nadc20224125713-fig-0003" ref-type="fig">Praktikumsbuch</xref>. Noch 100 Jahre sp&auml;ter geh&ouml;rte &bdquo;der Hempel&ldquo; zur Standardliteratur der Beh&auml;lterglaswerke in der DDR. Man f&uuml;hrte weiterhin Abgasanalysen in den nahezu unver&auml;nderten Glasapparaturen nach den daf&uuml;r entwickelten Vorschriften Hempels durch. Bis heute befinden sich Hempels Glasger&auml;te in der anorganisch-chemischen Sammlung der TU Dresden, dort sind sie aus didaktischer Sicht wichtig f&uuml;r Studierende der Chemie.
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<figcaption><label>Abb. 3: </label>Hempels Werk &bdquo;Gasanalytische Methoden&ldquo;, urspr&uuml;nglich 1880 &bdquo;Neue Methoden zur Analyse der Gase&ldquo;.</figcaption>
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Hempels Arbeiten zur technischen Gasanalyse wurden international bekannt. Die Namen der von Hempel selbst gefertigten gasanalytischen Glasger&auml;te (Hempel-B&uuml;rette, Hempel-Pipette) wurden in die englische, franz&ouml;sische, spanische und russische Sprache &uuml;bersetzt. Mehrfach reiste Hempel zu wissenschaftlichen Zwecken in die USA und hielt dort Gastvortr&auml;ge. Bereits zu Lebzeiten erfuhr Hempel hohe Ehrungen, die Universit&auml;t Leipzig und die TH Karlsruhe verliehen ihm die Ehrendoktorw&uuml;rde. Er starb am 1. Dezember 1916 in Dresden und fand seine Ruhest&auml;tte auf dem Johannisfriedhof.
In W&uuml;rdigung der Verdienste Hempels als namhafter technischer Chemiker, erfolgreicher Rektor und begnadeter Hochschullehrer erhielt ein an der Mommsenstra&szlig;e gelegener Geb&auml;udekomplex der TU Dresden im Oktober 1994 den Namen &bdquo;Walther-Hempel-Bau&ldquo;.
<h2>Der Autor</h2>
Wladimir Reschetilowski, Jahrgang 1950, ist emeritierter Professor f&uuml;r technische Chemie an der TU Dresden und Chemiehistoriker. F&uuml;r das Januarheft der Nachrichten aus der Chemie schreibt er regelm&auml;&szlig;ig &uuml;ber historische Meilensteine der Chemie.
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<a href="mailto:wladimir.reschetilowski@tu-dresden.de">wladimir.reschetilowski@tu-dresden.de</a>
<ul class="references">
<li>1 F. Foerster, &bdquo;Walther Hempel &ndash; Ged&auml;chtnisrede&ldquo;, Ber. &uuml;ber d. Verh. d. Kgl. S&auml;chs. Akad. d. Wiss. zu Leipzig. Math.-Physischen Klasse 1917, 69, 553&ndash;588</li>
<li>2 F. Foerster, &bdquo;Walther Hempel &ndash; Nachruf&ldquo;, Z. angew. Chem. 1917, 30, Band 1, 1&ndash;12</li>
</ul>

Die gasanalytische Glasbürette und ihr Erfinder

Chemiker:innen nutzen Glas nicht nur im Labor als Rundkolben oder Messzylinder. Sie entwickeln auch den Werkstoff Glas. So wie Sebastian Leukel, der bei Schott in Mainz arbeitet.
Sebastian <xref rid="nadc20224125628-fig-0001" ref-type="fig">Leukel</xref> entwickelt Werkstoffe: von bruchfesten Gl&auml;sern f&uuml;r Smartphones &uuml;ber Gl&auml;ser f&uuml;r optische Anwendungen bis zu ionenleitenden Keramiken f&uuml;r Batterieanwendungen. Er ist damit einer von 680 Materialentwickler:innen und Ingenieur:innen, die f&uuml;r den Spezialglashersteller Schott forschen. Sein Arbeitsplatz ist seit August 2018 in der zentralen Forschung und Entwicklung in Mainz, einem der drei Forschungsstandorte des Unternehmens.
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<figcaption><label>Abb. 1: </label>Entwickelt Glaswerkstoffe: Sebastian Leukel. Foto: Schott</figcaption>
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<h2>Kristallbildung verhindern</h2>
W&auml;hrend seiner Doktorarbeit hatte Leukel mit Glas erstmal wenig zu tun. Er befasste sich auf dem Gebiet der Biomineralisation mit den amorphen Zwischenstufen der Carbonatkristallisation. Bei Glas geht es nun eher darum, Kristallisation zu verhindern. F&uuml;r einen Chemiker sei das Material &bdquo;eine wunderbare Spielwiese&ldquo;, denn dort k&ouml;nne man fast alle Elemente des Periodensystems unterbringen.
Die Idee, sich bei Schott zu bewerben, kam Sebastian Leukel durch sein Stipendium der Carl-Zeiss-Stiftung, auf das ihn sein Doktorvater aufmerksam machte. Die ersten Kontakte zu Mitarbeitern des Unternehmens ergaben sich w&auml;hrend eines Stipendiatentreffens bei Schott.
Nach der Promotion wollte Leukel weiter wissenschaftlich arbeiten und war unschl&uuml;ssig, ob er an der Universit&auml;t bleiben sollte. Die Themen in der Glas- und Keramikforschung in der Industrie erwiesen sich f&uuml;r ihn als Alternative und &uuml;berraschend nah an der Grundlagenforschung. &bdquo;Ich lese vermutlich mehr Ver&ouml;ffentlichungen als zu meiner Zeit als Doktorand,&ldquo; meint er.
<h2>Anorganische Chemie von Grund auf</h2>
Wegen der Bandbreite an Materialien bei Schott braucht Leukel vor allem Kenntnisse aus der anorganischen Chemie. Er berichtet: &bdquo;In meinem Arbeitsalltag tauchen immer wieder Fragen auf, die ich anhand der Konzepte aus dem Grundstudium beantworten kann, etwa Lewis-Azidit&auml;t oder Charge-Transfer-&Uuml;berg&auml;nge.&ldquo; Zudem profitiere er sehr davon, an der Universit&auml;t Erfahrungen mit vielen unterschiedlichen Analysenverfahren gesammelt zu haben, darunter IR- und NMR-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie, R&ouml;ntgendiffraktometrie oder dynamische Differenzkalorimetrie. Denn er steht immer wieder vor der Aufgabe, passende Methoden zu w&auml;hlen.
Anders als an der Universit&auml;t arbeitet Leukel nun in der Regel parallel an mehreren Projekten. Dazu geh&ouml;rt, Forschungsergebnisse dem Management zu pr&auml;sentieren, Kundenw&uuml;nsche in Anforderungen an das Material zu &uuml;bersetzen oder mit den Kolleg:innen aus anderen Bereichen zu reden, um Laborergebnisse in den Produktionsma&szlig;stab zu bringen. Den Schritt, Material vom Labortiegel in die gro&szlig;technische Schmelzwanne zu &uuml;bertragen, beschreibt Leukel als besonders herausfordernd und risikoreich. Es sei aber &bdquo;ein tolles Gef&uuml;hl, wenn aus ersten Ideen und Laborschmelzen ein im Tonnenma&szlig;stab produziertes Produkt wird.&ldquo;
FZ

"Eine wunderbare Spielwiese" – als Chemiker bei einem Spezialglashersteller

Kein Labor ohne Glasger&auml;te und keine Universit&auml;t ohne Glasbl&auml;ser. In den meisten K&ouml;pfen ist das ein reiner M&auml;nnerberuf. Diesen &uuml;ben inzwischen aber auch immer mehr Frauen aus &ndash; an der Universit&auml;t Gie&szlig;en etwa Anja Beneckenstein.
Ein gro&szlig;er, heller Raum verbirgt sich hinter den beiden Stahlt&uuml;ren mit der Aufschrift &bdquo;Glasbl&auml;serei&ldquo;. Im Eingangsbereich stehen links und rechts gro&szlig;e Maschinen, eine weitere etwa in der Mitte der Werkstatt, viele an den W&auml;nden. Dem Eingang gegen&uuml;ber ist eine Fensterfront. &Uuml;ber den beiden Werkb&auml;nken, die im 90&deg;-Winkel zum Fenster ausgerichtet sind, ranken Gr&uuml;npflanzen. Die Utensilien auf der Werkbank erinnern an die Pinselbeh&auml;ltnisse von K&uuml;nstlern. Im Hintergrund l&auml;uft leise ein Radio.
Dass Anja Beneckenstein einmal einen solchen Wirkort haben w&uuml;rde, hatte sie nach Abschluss ihrer dreij&auml;hrigen Ausbildung zur Glasapparatebauerin nicht gedacht. Zun&auml;chst nahm sie einen Job in der Industrie an. Und da sie sich w&auml;hrend der Ausbildung f&uuml;r das Fach Chemie begeistert hatte, machte sie in der Abendschule ihr Abitur nach, um anschlie&szlig;end Chemie studieren zu k&ouml;nnen. &bdquo;Eine Chemikerin, die sich ihre eigenen Apparate herstellen kann &ndash; das fand ich toll&ldquo;, schildert sie. &bdquo;Dass ich nach was anderem suchte, lag aber auch daran, dass ich bei meiner Arbeit haupts&auml;chlich H&auml;hne an B&uuml;retten gebaut habe. Das war wahnsinnig eint&ouml;nig.&ldquo;
Doch das Chemiestudium war nicht das Richtige f&uuml;r sie. So unterhielt sie sich gegen Ende des ersten Semesters mit Hans-J&uuml;rgen Wolf, dem damaligen Glasbl&auml;ser der Uni Gie&szlig;en. Sie erz&auml;hlte ihm, dass sie sich exmatrikulieren lassen w&uuml;rde. &bdquo;Und dann sagte er: &sbquo;Du, bei uns in der Glasbl&auml;serei ist eine Stelle frei. Bewirb dich doch.&lsquo;&ldquo; Das tat sie. Und zum n&auml;chsten Monatsersten war sie Angestellte der Universit&auml;t Gie&szlig;en.
Das ist inzwischen 15 Jahre her. Nach der mittleren Reife w&uuml;nschte Anja Beneckenstein sich eine Arbeit, die Handwerk und Kreativit&auml;t verbindet. Bei einem Berufsinformationstag verliert sie ihr Herz: &bdquo;Das erste, was ich gesehen habe, war ein Glasbl&auml;ser, der eine Kugel hergestellt hat. Danach hat mich nichts anderes mehr interessiert.&ldquo;
Ihre Ausbildung absolvierte sie an der Glasfachschule im mittelhessischen Hadamar, 15 km von ihrem Elternhaus entfernt. Damit hatte sie Gl&uuml;ck, denn es gibt insgesamt nur eine Handvoll Glasfachschulen in Deutschland. Die liegen in den traditionellen Zentren der deutschen Glasindustrie: die meisten in Th&uuml;ringen, eine in Bayern.
Anders als bei einer Ausbildung in einem Betrieb gibt es in Glasfachschulen zwar auch Blockunterricht, Anja Beneckenstein hatte aber jeden Tag Theorie und Praxis. Zu den praktischen Aspekten wie Glasbearbeitung kommen normale Schulf&auml;cher wie Physik, Chemie und technisches Zeichen. Im praktischen Unterricht k&ouml;nnen sich die Lernenden nicht nur ausprobieren, sondern auch einiges bei ihren Lehrern abschauen. &bdquo;Man klaut mit den Augen&lsquo;, hat mein Meister immer gesagt&ldquo;, erinnert sich Beneckenstein.
Die Ausbildung endet mit einer einw&ouml;chigen Pr&uuml;fungsphase. In dieser Zeit m&uuml;ssen die Pr&uuml;flinge ein Gesellenst&uuml;ck anfertigen, das die Meister zuvor genehmigen m&uuml;ssen: Ist es anspruchsvoll genug? Ist gen&uuml;gend Zeit, d&uuml;rfen die Pr&uuml;flinge ihr Werk auch mehrmals bauen und das Beste zur Benotung abgeben.
&bdquo;Im R&uuml;ckblick merke ich, dass man nach der Ausbildung eigentlich gar nichts kann. Man braucht viele Jahre Erfahrung, bis sich eine Art Routine einstellt.&ldquo; Dass das so sei, hatte bereits Beneckensteins Meister in der Ausbildung prophezeit: &bdquo;Er hat immer gesagt: &sbquo;Das Glas beherrscht zehn Jahre dich, bevor du es beherrschst.&lsquo; Und er hatte recht.&ldquo;
<h2>Arbeit an der Universit&auml;t</h2>
&bdquo;Die Arbeit an der Universit&auml;t ist ein absoluter Traum f&uuml;r jeden Glasbl&auml;ser. Es ist wahnsinnig abwechslungsreich, da wir viele Einzelst&uuml;cke anfertigen&ldquo;, erz&auml;hlt Beneckenstein. &bdquo;Nat&uuml;rlich gibt es auch Routineaufgaben, vor allem Reparaturen. Aber es vergeht kaum ein Tag, an dem nicht jemand mit einem Sonderwunsch auf mich zukommt &ndash; etwa Geldscheine als Geschenk in eine Glaskugel einzuschmelzen.&ldquo; Und solche W&uuml;nsche setzt sie gerne um. &bdquo;Ich werde ganz wuselig, wenn ich mehrere gleiche Teile nacheinander fertigen muss. Irgendwo muss ich meine Kreativit&auml;t rauslassen.&ldquo; H&auml;ufig seien die kompliziert aussehenden St&uuml;cke viel einfacher zu fertigen als die scheinbar einfachen, sagt Beneckenstein: &bdquo;Glas ineinander zu verschachteln ist fast kein Problem. Aber einen Glastrichter so zu bearbeiten, dass seine konische Form erhalten bleibt, ist schwierig.&ldquo;
Ein Apparat, den Anja Beneckenstein immer wieder und trotzdem gerne fertigt, ist der F&uuml;nf-Kugel-Apparat nach Justus von Liebig. Er ist Bestandteil einer Vorrichtung zur Elementaranalyse organischer Stoffe. Dabei f&auml;ngt und bindet er das Kohlendioxid, das bei der Verbrennung der zu untersuchenden Probe entsteht. &bdquo;Hier ist alles dabei: Blasen, zusammenf&uuml;gen, biegen &ndash; also fast alles, was man mit Glas machen kann.&ldquo; Daf&uuml;r setzt Anja Beneckenstein erst einmal ihre Schutzbrille auf. Die hat get&ouml;nte Gl&auml;ser, damit sie in der hellen Flamme etwas sehen kann und au&szlig;erdem ihre Augen nicht sch&auml;digt. Mit dem rechten Fu&szlig; bedient sie ein Pedal, das Erdgas und Sauerstoff zum Brenner str&ouml;men l&auml;sst. Ein kleiner Dreh am Brenner selbst &ndash; und schon ist die Flamme so, wie die Glasbl&auml;serin sie zum Arbeiten braucht (<xref rid="nadc20224124356-fig-0001" ref-type="fig">Fotos</xref>).
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<figcaption><label>Abb. 1: </label>Links: Anja Beneckensteins Werktisch in der Uni Gie&szlig;en. Sie ist f&uuml;r alle Eventualit&auml;ten gewappnet. Rechts: Die Herstellung der meisten Apparaturen beginnt mit einem 1,5 Meter langen Borosilikatglasrohr &ndash; und der richtigen Flamme.</figcaption>
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F&uuml;r die Apparate verwendet sie das chemikalien- und hitzebest&auml;ndige <xref rid="nadc20224124356-fig-0002" ref-type="fig">Borosilikatglas</xref>, das es in vorgefertigten 1,5 Meter langen R&ouml;hren in unterschiedlichen Dicken und St&auml;rken gibt. Die Verarbeitungstemperatur liegt bei &uuml;ber 1200 &deg;C. Da Glas ein schlechter W&auml;rmeleiter ist, kann Beneckenstein es dicht an der Flamme anfassen, ohne sich zu verbrennen.
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<figcaption><label>Abb. 2: </label>Links: Anja Beneckenstein erhitzt in der Flamme den Teil des Glasrohrs, den sie gleich biegen will. Mitte: Nach dem Biegen pustet die Glasbl&auml;serin in das Glasrohr, damit das Glas an der gebogenen Stelle nicht zusammenschmilzt. Dazu ist das Rohr mit einem St&uuml;ck Knete verschlossen, und ihr Atem konzentriert sich kurz davor. Rechts: fertiger F&uuml;nf-Kugel-Apparat nach Justus von Liebig. Er ist Bestandteil einer Vorrichtung zur Elementaranalyse organischer Stoffe.</figcaption>
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Damit beim Zusammensetzen einer Apparatur alles gut ineinander passt, werden gekaufte und genormte Schliffe an die Apparaturen geschmolzen. Die sind maschinell hergestellt &ndash; sie selbst herzustellen ist zwar m&ouml;glich, w&auml;re aber zu aufwendig und w&uuml;rde zu lange <xref rid="nadc20224124356-fig-0003" ref-type="fig">dauern</xref>.
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<figcaption><label>Abb. 3: </label>Vorne: Sollen zwei Glasteile miteinander verbunden werden, ist oft ein konischer &Uuml;bergang n&ouml;tig. Dazu bl&auml;st Beneckenstein so lange in ein Rohr, bis eine hauchd&uuml;nne Glaskugel entsteht, die sie abschlagen kann. Im Hintergrund: Hans-J&uuml;rgen Wolf, der zweite Glasbl&auml;ser der Uni Gie&szlig;en.</figcaption>
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Den Umgang mit harten Gl&auml;sern wie Quarzglas hat sie in der Ausbildung zwar nicht gelernt, wei&szlig; aber dennoch damit umzugehen. &bdquo;Es kommt selten vor, dass wir daraus etwas fertigen&ldquo;, erz&auml;hlt Beneckenstein. &bdquo;Die Verarbeitung ist ganz anders als beim normalen Laborglas (Kasten). Aber f&uuml;r solche Arbeiten gibt es spezialisierte Firmen.&ldquo;
<h2>INFO: Warum Apparate aus Quarzglas so teuer sind</h2>
Aus Quarzglas (auch Kieselglas genannt) fertigen die Glasbl&auml;ser in Gie&szlig;en nur selten Apparaturen. Daf&uuml;r m&uuml;ssen sie die &uuml;blichen Erdgasbrenner auf Wasserstoffbrenner umstecken, denn Quarz ben&ouml;tigt 1600 &deg;C, um zu schmelzen. Es l&auml;sst sich nur direkt in der Flamme und mit Blaseschlauch verarbeiten, au&szlig;erhalb der Flamme ist es zu kalt, um formbar zu sein.
Quarzglas erkennt der Glasbl&auml;ser oft schon auf den ersten Blick: H&auml;lt man die Schnittstelle eines Quarzglasrohrs gegen das Licht, wirkt es klar und farblos. Dagegen schimmert das normale Laborglas etwas ins gelb-gr&uuml;nliche, denn Borosilikatglas enth&auml;lt im Gegensatz zu Quarzglas bestimmte Zus&auml;tze.
Wird Quarzglas verarbeitet, tr&auml;gt der Glasbl&auml;ser idealerweise (Baumwoll-)Handschuhe, denn Fingerabdr&uuml;cke brennen sich in das Glas ein. Au&szlig;erdem sind noch dunklere Brillengl&auml;ser als ohnehin n&ouml;tig, da das Licht bei der Verarbeitung heller ist. Und auch an den Abzug gibt es Anforderungen: Er muss st&auml;rker saugen als ein gew&ouml;hnlicher, da nitrose Gase entstehen. Das Graphitwerkzeug, das in der Wasserstoffflamme benutzt wird, nutzt sich durch die hohen Temperaturen stark ab.
<h2>Titel und Namen</h2>
Im Jahr 2018 hat die Uni Gie&szlig;en Anja Beneckenstein erm&ouml;glicht, ihren Meister zu machen. Die Fortbildung l&auml;uft in Vollzeit, dauert neun Monate und besteht aus vier Teilen. Die Meisterpr&uuml;fung zu Fachpraxis, Fachtheorie, Betriebswirtschaft und P&auml;dagogik wird vor der Handwerkskammer abgelegt. F&uuml;r das Meisterst&uuml;ck haben die Anw&auml;rter wie f&uuml;r das Gesellenst&uuml;ck eine Woche Zeit. Anja Beneckenstein hat eine Glockenbodenkolonne angefertigt. &bdquo;Das waren viele Ineinander-Schmelzungen. Besonders wichtig ist sauberes Arbeiten: Sind die Ans&auml;tze sch&ouml;n? Ist das Glas &uuml;berall dick genug?&ldquo;
Der Ausdruck Glasbl&auml;ser f&uuml;hrt manchmal zu Verwirrung. &bdquo;Glasbl&auml;ser&ldquo; ist der Oberbegriff f&uuml;r alle Berufe, die mit Glasblasen zu tun haben, also auch Neonr&ouml;hrenbl&auml;ser, Kunstglasbl&auml;ser, Thermometermacher oder eben Glasapparatebauer. &bdquo;Das, was die Menschen meist Glasbl&auml;ser nennen, sind die Glasmacher&ldquo;, erkl&auml;rt Beneckenstein. &bdquo;Die blasen mit der Pfeife fl&uuml;ssiges Glas aus dem Hochofen zu gro&szlig;en Gef&auml;&szlig;en.&ldquo; F&uuml;r diese Arbeit ist ein gro&szlig;es Lungenvolumen n&ouml;tig, ein Gegensatz zum Glasapparatebau. &bdquo;Bei uns braucht es eher einen konstanten, aber nicht zu starken Atemstrom.&ldquo; Der sorgt beispielsweise daf&uuml;r, dass d&uuml;nne Rohre nicht zusammenfallen, oder erzeugt kleine Kugeln, etwa f&uuml;r einen K&uuml;hler.
<h2>Traditionen</h2>
Das Bild des m&auml;nnlichen Eigenbr&ouml;tlers in seiner abgelegenen Werkstatt ist &uuml;berholt. &bdquo;Inzwischen &uuml;ben deutlich mehr Frauen den Beruf aus. In meiner Klasse waren wir damals ungef&auml;hr halbe-halbe&ldquo;, erz&auml;hlt Beneckenstein, w&auml;hrend der Brenner im Hintergrund gleichm&auml;&szlig;ig und beruhigend rauscht. &bdquo;Fr&uuml;her war Glasapparatebau ein reiner M&auml;nnerberuf. Da hie&szlig; es immer, die Glasger&auml;te w&auml;ren zu schwer. Aber inzwischen ist es so: Was man nicht halten kann, wird in eine Glasdrehbank eingespannt.&ldquo; Ein weiterer Aspekt: &bdquo;Frauen waren fr&uuml;her vor allem f&uuml;r das K&uuml;nstlerische am Glas zust&auml;ndig, also Verzieren von Weihnachtskugeln. Dieses Klischee bedient zum Beispiel auch der deutsche Spielfilm &bdquo;Die Glasbl&auml;serin&ldquo; von 2016. Inzwischen sieht das zum Gl&uuml;ck anders aus.&ldquo;
Eine Tradition wird aber Beneckensteins Meinung nach bleiben: &bdquo;Auch wenn man meinen k&ouml;nnte, unser Beruf w&uuml;rde aussterben: Den wird es weiterhin geben. Einer Maschine beizubringen, welche Temperatur, welche Drehgeschwindigkeit, welcher Druck beim Blasen n&ouml;tig ist, w&auml;re viel zu aufwendig und zu teuer.&ldquo; Denn Glas sei wie wir Menschen: Ein empfindliches Material und jeden Tag etwas anders aufgelegt. Es zu bearbeiten, erfordert einiges an Fingerspitzengef&uuml;hl &ndash; und eine Menge Erfahrung.
Nachrichten-Redakteurin Eliza Leusmann war &uuml;berrascht, wie viele Ger&auml;te die Glasbl&auml;serwerkstatt der Gie&szlig;ener Universit&auml;t f&uuml;r Glasger&auml;te verschiedener Gr&ouml;&szlig;e bereith&auml;lt.

Blasen, biegen, verbinden

Industrie + Technik

An blauen und braunen Gl&auml;sern l&auml;sst sich zeigen, wie eine Software Spektren berechnen kann. Die Ergebnisse sind fast so genau wie nasschemische Analysen.
&Auml;hnlich wie in w&auml;ssrigen L&ouml;sungen haben Ionen der &Uuml;bergangsmetalle in transparenten Glassystemen charakteristische Absorptionsbanden im UV-, Vis- und NIR-Spektralbereich. Die absorbierende Wirkung dieser Ionen korreliert mit deren Konzentrationen. Lage, Breite und Intensit&auml;t dieser Absorptionsbanden h&auml;ngen dar&uuml;ber hinaus von der chemischen Zusammensetzung des Basisglases ab, da die Glasmatrix die auf die Ionen wirkenden <xref rid="nadc20224123974-fig-0001" ref-type="fig">Ligandenfelder</xref> beeinflusst.1)
<figure><img src="https://media.graphassets.com/7v9WD1JkQ6uOkimd2UVg" />
<figcaption><label>Abb. 1: </label>Foto: Thomas / Adobe Stock</figcaption>
</figure>
<h2>Farbgebende Ionen</h2>
Zu den wichtigen Chromophoren geh&ouml;ren die im Glas gel&ouml;sten Ionen Fe2+, Fe3+, Cr3+, Cr6+, Mn2+, Mn3+, Ni2+ und Co2+. Dazu kommen Farbanionen wie bei Braunglas ein Sulfoferritkomplex2) oder ein r&ouml;tlich t&ouml;nendes Eisenselenid(FeSe)-Chromophor.2,4,5) Farbgebend sind zudem kolloidale Ausscheidungen von Metallen, etwa Gold in Goldrubin.3,4)
In der Praxis liegen in einem Glas nicht selten Ionen von zwei oder mehr polyvalenten Elementen nebeneinander vor. W&auml;hrend des Schmelzens und anschlie&szlig;enden K&uuml;hlens kann zwischen diesen Ionen ein Elektronenaustausch stattfinden. Deshalb laufen abh&auml;ngig von Glaszusammensetzung, Temperatur, Ofenatmosph&auml;re und K&uuml;hlgeschwindigkeit Redoxreaktionen ab.5) So wird Eisen durch das in der elektrochemischen Spannungsreihe dar&uuml;ber stehende Cer oxidiert oder durch das darunter stehende Zinn reduziert.6)
Die Konzentrationen aller Farbionen, die im fertigen Glas bei Raumtemperatur vorliegen, bestimmen den spektralen Verlauf der Lichttransmission und damit die Glasf&auml;rbung. Nicht alle Ionen weisen im untersuchten Wellenl&auml;ngenbereich (350 bis 1100 nm) Absorptionsbanden auf; sie tragen folglich nicht zur Farbe des Glases bei. Farblose Ionen polyvalenter Elemente (Sn2+/Sn4+) wirken &uuml;ber Redoxreaktionen.
Das technisch bedeutendste polyvalente System ist das von Eisen. Es liegt im Glas zum Teil zwei- und zum Teil dreiwertig vor. Die Farbe eines Glases, das Eisen enth&auml;lt, h&auml;ngt also wesentlich davon ab, wie hoch die jeweiligen Konzentrationen der Fe2+- und Fe3+-Ionen sind. Diese Konzentrationen ergeben sich aus dem Gesamteisengehalt (Feges.) und dem Redoxverh&auml;ltnis ([Fe2+]/[Feges.]).
<h2>Farbkoordinaten</h2>
Die Farbe eines Glases in Durchsicht beruht auf seiner spektralen Lichttransmission im sichtbaren Wellenl&auml;ngenbereich (380 bis 780 nm) und der Wahrnehmung des Transmissionsspektrums durch das menschliche Auge.7) Es sind zwei Methoden &uuml;blich, den Farbeindruck &uuml;ber quantitative Kenngr&ouml;&szlig;en (Farbkoordinaten) zu beschreiben: das Farbmodell der Internationalen Beleuchtungskommission (Commission Internationale de l&lsquo;&Eacute;clairage, CIE) CIELab (<xref rid="nadc20224123974-fig-0002" ref-type="fig">Abbildung</xref> oben) und die Normfarbtafel Young-Helmholtz. Diese gibt den Farbeindruck einer Glasprobe wieder, und zwar &uuml;ber die dominierende Wellenl&auml;nge, die S&auml;ttigung und die Helligkeit. Der Farbraum nach L*a*b* wird h&auml;ufig bei schwach gef&auml;rbten Gl&auml;sern (Wei&szlig;glas) verwendet und als Kenngr&ouml;&szlig;en dienen Helligkeit (L*), das Gr&uuml;n-Rot- (a*) und das Blau-Gelb-Verh&auml;ltnis (b*). Die mathematischen Gleichungen, die die Farbkoordinaten aus den Transmissionsspektren berechnen, sind gem&auml;&szlig; DIN EN 410:2011&ndash;04 normiert (Kasten, Gleichung I).
<figure><img src="https://media.graphassets.com/we21M255Sq259CEZg9nz" />
<figcaption><label>Abb. 2: </label>Der Lab-Farbraum mit den Kenngr&ouml;&szlig;en Helligkeit (L*), Gr&uuml;n-Rot- (a*) und Blau-Gelb-Verh&auml;ltnis (b*).</figcaption>
</figure>
Beim Messen von Transmissionsspektren ist zu ber&uuml;cksichtigen, dass an den Grenzfl&auml;chen Luft zu Glas oder Glas zu Luft ein Teil des Lichts reflektiert wird. &Uuml;blicherweise steigt der Brechwert des Glases mit abnehmender Wellenl&auml;nge des Lichts, besonders stark im kurzwelligen Bereich (&lambda; &lt; 400 nm). Der Brechwert handels&uuml;blichen Flachglases (Kalk-Natron-Silikatglas) ist im sichtbaren Spektralbereich nahezu konstant bei zirka 1,52. Damit ergibt sich ein nahezu konstanter Reflexionsgrad von 0,0426: 4,26 Prozent des Lichts werden an der Grenzfl&auml;che Luft zu Glas oder Glas zu Luft reflektiert. Bei Betrachtung eines gr&ouml;&szlig;eren Spektralbereichs &ndash; vom nahen UV bis in den nahen IR-Bereich &ndash; ist mit einer Zu- beziehungsweise Abnahme des Brechwerts um 0,05 Einheiten zu rechnen.
Der spektrale Transmissionsgrad einer Glasscheibe h&auml;ngt vom Reintransmissionsgrad (innere Transmission; Kasten, Gleichung II) und dem spektralen Reflexionsgrad an den Grenzfl&auml;chen Luft/Glas oder Glas/Luft ab. Der Prim&auml;rstrahl durchl&auml;uft das Glasmuster direkt, und dazu kommen mehrfach reflektierte Strahlanteile.
<h2>INFO: Gleichungen zur Glasspektroskopie</h2>
Bei senkrechtem Lichteinfall auf eine Glasoberfl&auml;che gilt:
R(&lambda;)=[n(&lambda;)&ndash;1]2&middot;[n(&lambda;)+1]&ndash;2 (I)
mit R(&lambda;): Reflexionsgrad an der Grenzfl&auml;che Luft/Glas oder Glas/Luft bei Wellenl&auml;nge &lambda; und n(&lambda;): Brechwert (Brechungsindex) des Glases bei der Wellenl&auml;nge &lambda;.
Unter Ber&uuml;cksichtigung der Reflexionen an einem Glasmuster mit planparallelen Oberfl&auml;chen gilt gem&auml;&szlig; DIN EN 410:2011 (D), Anhang A: T(&lambda;)= [1&ndash;R(&lambda;)]2&middot;Ti(&lambda;)&middot;[1&ndash;R(&lambda;)2&middot;Ti(&lambda;)2]&ndash;1 (II)
mit T(&lambda;): spektraler Transmissionsgrad einer Glasscheibe; Ti(&lambda;): Reintransmissionsgrad (innere Transmission) einer Glasscheibe; R(&lambda;): spektraler Reflexionsgrad an der Grenzfl&auml;che Luft/Glas oder Glas/Luft.
Der Term im Nenner von (II) gibt an, um welchen Faktor der Prim&auml;rstrahl, der das Glasmuster direkt durchl&auml;uft, unter Ber&uuml;cksichtigung von mehrfach reflektierten Strahlanteilen zu korrigieren ist.
F&uuml;r die Umrechnung von T(&lambda;) nach Ti(&lambda;) l&auml;sst sich bei einem Reflexionsgrad von zirka vier Prozent mit einem in der Praxis vernachl&auml;ssigbaren Fehler eine N&auml;herungsformel nutzen:
T(&lambda;)=[1&ndash;R(&lambda;)]2&middot;Ti(&lambda;) (II b)
Mit dem Lambert-Beerschen Gesetz, und wenn die Extinktionskoeffizienten der Farbkomponenten unabh&auml;ngig voneinander sind, gilt:
Ex(&lambda;)=dx&middot;&Sigma;ci,x&middot;ԑi(&lambda;) (III)
mit Ex(&lambda;): Extinktion der Glasprobe x; dx: Dicke der Probe [cm]; ci,x: Konzentrationen Farbkomponenten [MA.-%]; &epsilon;i(&lambda;): Extinktionskoeffizienten der Farbkomponenten [1&middot;(cm&middot;MA.-%)&ndash;1].
<h2>Zweistrahlphotometer</h2>
Um die Reintransmission genau zu berechnen, ist der spektrale Verlauf des Brechwerts zu ber&uuml;cksichtigen. Die entsprechenden Daten liegen aber oft nicht vor. Ein Messverfahren umgeht dieses Problem: Die Proben werden in einem Zweistrahlphotometer mit K&uuml;vetten gemessen, die mit Immersionsl&ouml;sungen gef&uuml;llt sind (<xref rid="nadc20224123974-fig-0003" ref-type="fig">Abbildung</xref> rechts). Nach Abgleich einer Basislinie, bei der beide K&uuml;vetten mit Immersionsl&ouml;sung gef&uuml;llt sind, wird das Glasmuster in die Probenk&uuml;vette eingef&uuml;hrt. Bei der Korrektur der Messdaten ist die innere Transmission der Immersionsl&ouml;sung zu ber&uuml;cksichtigen, die durch die Glasprobe verdr&auml;ngt worden ist (Probendicke).
<figure><img src="https://media.graphassets.com/DE50tAR1TvSq2KEEgy1j" />
<figcaption><label>Abb. 3: </label>Aufbau eines Zweistrahlphotometers, um Glasmuster zu vermessen.</figcaption>
</figure>
Voraussetzung f&uuml;r dieses Verfahren ist, dass die Brechwerte von K&uuml;vette, Immersionsl&ouml;sung und Glasmuster m&ouml;glichst dicht beieinanderliegen. So wird der Lichtstrahl an den Grenzfl&auml;chen K&uuml;vette zu Immersionsl&ouml;sung und Glas zu Immersionsl&ouml;sung nicht oder kaum reflektiert. Damit ergeben sich f&uuml;r Brechwerte von etwa 1,5 Differenzen im Reflexionsgrad unter 0,03 Prozent. Die Prim&auml;rreflexionen des Messstrahls an den Grenzfl&auml;chen Luft zu K&uuml;vette zu Luft heben sich bei diesem Verfahren auf &ndash; gleiche K&uuml;vetten und Immersionsl&ouml;sungen in beiden Strahlg&auml;ngen beim Messen von Baseline und mit Probe vorausgesetzt.
Aus den Messdaten l&auml;sst sich ohne detaillierte Kenntnis des spektralen Verlaufs des Brechwerts einer Glasprobe die innere Transmission genau genug bestimmen.
<h2>Extinktionskoeffizienten</h2>
Die innere Transmission eines homogenen, transparenten Stoffs h&auml;ngt gew&ouml;hnlich exponentiell von der Dicke des durchstrahlten Probek&ouml;pers und den Konzentrationen f&auml;rbend wirkender Komponenten im Glas ab.
Grundlegend beschrieb dies C. Ray Bamford im Jahr 1977.4) Er hatte dazu die Absorption verschiedener Ionen in einem begrenzten Spektrum untersucht und die Extinktionskoeffizienten abh&auml;ngig von der Wellenl&auml;nge in 10-nm-Schritten f&uuml;r ein Kalk-Natron-Silikatglas ermittelt.
Begriffe wie oxidierende und reduzierende Gl&auml;ser werden in der Praxis oft verwendet, sind aber wenig verstanden. Wie sich unter anderem zeigte, waren Bamfords Modelle zum Teil l&uuml;ckenhaft, etwa bei Chrom(VI), oder es war eine differenzierte Ausarbeitung n&ouml;tig wie beim Sulfoferritkomplex.
Projektarbeiten beim IGR Institut f&uuml;r Glas- und Rohstofftechnologie zusammen mit Dr. Drexler Glasservice haben diese Extinktionskoeffizienten in Versuchsschmelzen und Messungen f&uuml;r f&auml;rbende Ionen ermittelt, darunter auch f&uuml;r Eisen und Schwefel im Braunglas. Der physikalische Zusammenhang zwischen diesen Parametern gen&uuml;gt gew&ouml;hnlich dem Lambert-Beerschen Gesetz.
Gl&auml;ser k&ouml;nnen prinzipiell mehrere f&auml;rbend wirkende Komponenten enthalten. Unter der Voraussetzung, dass die Extinktionskoeffizienten der Farbkomponenten eines Glasmusters voneinander (linear) unabh&auml;ngig sind, l&auml;sst sich die Extinktion durch einen Summenterm beschreiben (Kasten, Gleichung III).
<h2>Kupferhaltige Muster</h2>
Im Labor wurden kupferhaltige Glasproben geschmolzen, chemisch analysiert und spektral vermessen. Kupfer kann in klassischen Kalk-Natron-Silikatgl&auml;sern zwei-, ein- und nullwertig vorkommen. Dabei f&auml;rbt Cu2+ die hier betrachtete Glassorte blau, Cu+ ist laut Literatur farblos, und Cu0 erzeugt als Anlauffarbe einen r&ouml;tlichen bis r&ouml;tlich-braunen Farbstich (Kupferrubin).3,4)
Die Herstellung von Kupferrubinglas setzt reduzierende Schmelzbedingungen oder eine thermische Nachbehandlung unter einer reduzierend wirkenden Atmosph&auml;re voraus. Die kupferhaltigen Glasmuster dieser Versuche wurden dagegen in einem Elektroofen unter Luftatmosph&auml;re, also unter leicht oxidierenden Bedingungen geschmolzen.
Die Auswertung der Transmissionsspektren liefert Indizien daf&uuml;r, dass die Glasschmelzk&ouml;rper &ndash; bei gleicher chemischer Basiszusammensetzung &ndash; je nach Temperaturregime des Schmelzprozesses das eingesetzte Kupfer nicht nur als Cu2+, sondern auch in niedrigeren Oxidationsstufen enthalten. Zumindest Cu+ gilt aufgrund einer typischen Fluoreszenzstrahlung, die bei einzelnen Glasproben mehr oder weniger stark ausgepr&auml;gt war, als gesichert.
Zwischen 550 und 1100 nm lassen sich Transmissionsspektren mit nur einem Farbion (Cu2+) als Chromophor nachbilden. Unterhalb von 550 nm zeigen sich mit k&uuml;rzer werdender Wellenl&auml;nge zunehmend Abweichungen zwischen Mess- und Simulationskurven. F&uuml;hrt man zus&auml;tzlich zu Cu2+ einen weiteren Farbkomplex (Cu*) mit entsprechend angepassten und optimierten Extinktionskoeffizienten ein (Kasten, Gleichung III), so lassen sich auch im Bereich von 350 bis 550 nm Transmissionsspektren gut simulieren.
Nach Vlasova wird die Absorption im kurzwelligen Spektralbereich nur von einem kleinen Anteil der Cu2+-Ionen bewirkt, die eine vierfache Koordination [CuIIO4] aufweisen.8,9) Der Gro&szlig;teil der Cu2+-Ionen ist aber sechsfach koordiniert [CuIIO6]. Die Absorptionsbande dieser Ionen liegt im langwelligen Spektralbereich des sichtbaren Lichts und bewirkt entsprechend eine Blaut&ouml;nung des Glases.
Wie statistisch basierte Optimierungsversuche mit den vorliegenden Datens&auml;tzen ergaben, korreliert der Konzentrationswert eines neu eingef&uuml;hrten Cu*-Farbkomplexes mit dem Produkt aus dem Konzentrationswert von Cu2+ und dem verbleibenden Rest ([Cuges.]&ndash;[Cu2+]). Diesen Befund zu verstehen, erfordert weitere Forschungsarbeiten.
<h2>Der Sulfoferritkomplex</h2>
Neue Erkenntnisse gibt es bei weiteren polyvalenten Ionen und besonders zum Sulfoferritkomplex. Bei der Bestimmung von Extinktionskoeffizienten wurde in Anlehnung an Zaman und Douglas zun&auml;chst davon ausgegangen,10) dass die Konzentration des Sulfoferritkomplexes proportional ist zum Produkt aus den Konzentrationswerten der Fe3+- und Sulfidionen im betreffenden Glasmuster. Wie sich zeigte, wirken jedoch weitere sulfidische Komplexe (wahrscheinlich Polysulfide3) und Sulfide anderer Metallionen) bei der F&auml;rbung eines derartigen Glases mit.
Systematischer Vergleich verschiedener Proben und statistische Methoden lieferten unter Bezug auf eine Referenzprobe relative Extinktionskoeffizienten f&uuml;r den Sulfoferritkomplex und zwei weitere sulfidische Farbkomponenten. Damit lie&szlig;en sich die Transmissionsspektren aller Glasmuster simulieren.
Diese Erkenntnisse wurden in eine hierf&uuml;r entwickelte Software integriert. Diese ist bisher weltweit einmalig und hilft, die Konzentrationen der polyvalenten Elemente im Glas zu ermitteln. Das Fitten der Spektren kombiniert mit der chemischen ICP- oder RFA-Glasanalyse liefert bei Kalk-Natron-Silikatgl&auml;sern nun die Konzentrationswerte von mehr Farbionen und anderen Farbkomplexen (<xref rid="nadc20224123974-fig-0004" ref-type="fig">Abbildung</xref> links oben). Manuelles Fitten gleicht die Spektren einander an. Im Beispiel wurden damit vom Gesamteisen 81,5 Prozent als Fe2+ identifiziert (<xref rid="nadc20224123974-fig-0005" ref-type="fig">Abbildung</xref> links unten), eine nasschemische Analyse ergab bei dieser Probe 82,3 Prozent.
<figure><img src="https://media.graphassets.com/WE61SlrMTLS1VTyXhb4L" />
<figcaption><label>Abb. 4: </label>Farbspektren aus Farbanalyse (rot) und aus chemischer Analyse modelliert (blau).</figcaption>
</figure>
<figure><img src="https://media.graphassets.com/O5YPgSK9TXm8MQtCCFP1" />
<figcaption><label>Abb. 5: </label>Farbspektren aus Farbanalyse (rot) und aus chemischer Analyse gefittet (blau).</figcaption>
</figure>
<h2>Die Autoren</h2>
Den Beitrag haben Dirk Diederich und Hubert Drexler verfasst. Diederich ist Gesch&auml;ftsf&uuml;hrer des IGR Institut f&uuml;r Glas- und Rohstofftechnologie sowie von der Industrie- und Handelskammer Hannover &ouml;ffentlich bestellter und vereidigter Sachverst&auml;ndiger mit dem Sachgebiet &bdquo;Industrielle Glastechnologie&ldquo; (Herstellung, Analytik und Qualit&auml;tssicherung). Zuvor war er 20 Jahre Labor- und Abteilungsleiter Glastechnologie bei einer Hohlglash&uuml;tte. Drexler ist seit einem Jahr im Ruhestand. Nach Forschung bei einem Flachglashersteller und anschlie&szlig;ender Laborleitung bei einem Rohstoffhersteller war er zuletzt Gesch&auml;ftsf&uuml;hrer von Dr. Drexler Glasservice.
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<div><img src="https://media.graphassets.com/4tcJvZ5QSkCiW6ps8Je6" /></div>

<ul class="references">
<li>1 C. R. Bamford, Colour Generation and Control in Glass, Elsevier, 1977</li>
<li>2 R. G. C. Beerkens, Glass Sci. Technol. 2003, 76(4), 166</li>
<li>3 M. B. Volf, Chemical Approach to Glas, Elsevier, 1984</li>
<li>4 W. A. Weyl, Coloured Glasses, Society of Glass Technology, 1978 &amp; 1981</li>
<li>5 P. Buhler, Glastech. Ber. Sci. Technol. 1999, 72(8), 245</li>
<li>6 H. M&uuml;ller-Simon, H&uuml;ttentechnische Vereinigung der Deutschen Glasindustrie, Offenbach, 20.10.2005 (PP-Pr&auml;sentation)</li>
<li>7 M. Richter, Einf&uuml;hrung in die Farbmetrik, 2. Aufl., Walter de Gruyter &amp; Co., 1981</li>
<li>8 H. Scholze, Glas. Natur, Struktur und Eigenschaften, 3. Aufl., Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1988</li>
<li>9 N. J . Vlasova, L. I. Demkina, V. I. Karaseva, Sov. J. Glass Phys. Chem. 1984, 10, 213</li>
<li>10 R. W. Douglas, M. S. Zaman, Phys. Chem. Glasses 1969, 10(4), 125</li>
</ul>

Kategorie

Schlaglicht: Glas

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