Il vetro cristallo, comunemente chiamato cristallo, è una varietà di vetro nella quale il piombo sostituisce il calcio contenuto in un tipico vetro di carbonato di potassio. Contiene generalmente una percentuale del 18-40% (in peso) di monossido di piombo (PbO), mentre il moderno cristallo al piombo, storicamente noto come vetro di selce per via del silice utilizzato per la costruzione, contiene un minimo del 24% di PbO. Il cristallo al piombo è ambito per le sue proprietà decorative.
Scoperta originariamente dall'inglese George Ravenscroft nel 1674, la tecnica di aggiunta di ossido di piombo (in quantità tra il 10 e il 30%) ha migliorato l'aspetto del vetro e reso più facile la fusione usando carbone come combustibile da forno. Questa tecnica ha anche aumentato il "periodo di lavorabilità" rendendo il vetro più facile da manipolare.
Il termine cristallo al piombo non è, tecnicamente, un termine preciso per descrivere il vetro al piombo, in quanto solido amorfo, il vetro è privo di una struttura cristallina. L'uso del termine cristallo al piombo rimane popolare per ragioni storiche e commerciali. È derivato dal termine veneziano cristallo per descrivere il cristallo di rocca imitato dai vetrai di Murano. Questa convenzione di denominazione è stata mantenuta fino ai giorni nostri per descrivere oggetti decorativi.
Gli oggetti di cristallo al piombo erano, in passato, utilizzati per conservare e servire bevande, ma a causa dei rischi per la salute, questo impiego è diventato raro. Un materiale alternativo è il cristallo, in cui ossido di bario, ossido di zinco o ossido di potassio sono impiegati al posto dell'ossido di piombo. Il cristallo senza piombo ha un indice di rifrazione simile al cristallo al piombo, ma è più leggero e ha un minore potere dispersivo.
Nell'Unione europea, l'etichettatura dei prodotti cristallo è regolata dalla direttiva 69/493/CEE del Consiglio europeo, che definisce quattro categorie, a seconda della composizione chimica e delle proprietà del materiale. Solo i prodotti di vetro contenenti almeno il 24% di monossido di piombo possono essere definiti cristalli al piombo. I prodotti con meno ossido di piombo o prodotti in vetro con altri ossidi di metallo, utilizzati al posto dell'ossido di piombo, devono essere etichettati cristallo.
Proprietà L'aggiunta di ossido di piombo al vetro aumenta il suo indice di rifrazione e abbassa la sua temperatura di lavorabilità e la viscosità. Le interessanti proprietà ottiche del vetro al piombo derivano dall'elevato contenuto in metallo pesante come il piombo. L'alto numero atomico del piombo aumenta anche la densità del materiale, poiché questo ha un peso atomico molto elevato (207,2), rispetto a quello del calcio (40,08). La densità del vetro normale è 2,4 g/cm³ o inferiore, mentre il tipico cristallo al piombo ha una densità di 3,1 g/cm³ e quello ad alto tenore può oscillare dai 4,0 g/cm³ ai 5,9 g/cm³.
La brillantezza del cristallo al piombo si basa sull'alto indice di rifrazione causato dal contenuto di piombo. Il vetro ordinario ha un indice di rifrazione di n = 1,5, mentre l'aggiunta di piombo produce un intervallo fino a 1,7 o 1,8. Questo elevato indice di rifrazione è anche correlato all'aumento della dispersione ottica, che misura il grado in cui un mezzo separa la luce nel suo componente spettro visibile, come in un prisma triangolare. Le tecniche di taglio del cristallo sfruttano queste proprietà per creare un effetto brillante e scintillante mentre ogni sfaccettatura del taglio riflette e trasmette la luce attraverso l'oggetto. L'alto indice di rifrazione è utile per la realizzazione di lenti, poiché una data lunghezza focale può essere ottenuta con una lente più sottile. Tuttavia, la dispersione deve essere corretta da altri componenti del sistema di lenti se deve essere acromatica.
L'aggiunta di ossido di piombo al vetro riduce anche la sua viscosità, rendendolo più fluido del normale vetro con una temperatura di rammollimento di circa 600° e con un punto di lavorazione di 800°. La viscosità del vetro varia radicalmente con la temperatura, ma quella del vetro al piombo è circa 100 volte inferiore a quella dei normali bicchieri di vetro in tutti gli intervalli di temperatura di lavorazione fino a 1100°. Dal punto di vista del vetraio, ciò si traduce in due sviluppi pratici. In primo luogo, il vetro al piombo può essere lavorato a una temperatura più bassa, portando al suo uso nella smaltatura, e in secondo luogo, gli oggetti trasparenti possono essere resi liberi da bolle d'aria intrappolate con considerevolmente meno difficoltà rispetto ai vetri ordinari, consentendo la produzione di oggetti chiari e impeccabili.
Quando viene colpito, il cristallo al piombo emette un suono squillante, a differenza dei normali vetri. I consumatori fanno ancora affidamento su questa proprietà per distinguerli dai bicchieri più economici. Poiché gli ioni di potassio sono legati più strettamente in una matrice di piombo-silice rispetto a un bicchiere al calcio, il primo assorbe più energia quando viene colpito. Questo fa sì che il cristallo al piombo oscilli, producendo così il suo suono caratteristico. Il piombo aumenta anche la solubilità di stagno, rame e antimonio, portando al suo uso in smalti colorati e ceramici.
Il piombo viene usato nei vetri ad alto assorbimento di raggi gamma e raggi X, utilizzati come schermatura (ad esempio nei tubi catodici, dove serve a ridurre l'esposizione dello spettatore ai raggi X leggeri).
L'elevata radiazione ionica degli ioni di Pb2+ li rendono altamente immobili nella matrice e ostacolano il movimento di altri ioni; i vetri al piombo quindi hanno un alto livello di resistenza elettrica, circa due ordini di grandezza più del vetro normale (108.5 contro 106.5 Ohm·cm, in corrente continua a 250°. Il vetro contenente piombo viene spesso utilizzato nella produzione di lampade.
Uso PbO (% in peso) vasellame domestico 18-38 vetro ceramica 16-35 lenti ad alta rifrazione ottica 4-65 schermi anti radiazioni 2-28 elevata resistenza elettrica 20-22 sigillanti per vetro 56-77
Storia Il piombo può essere introdotto nel vetro come ingrediente nella fusione primaria o aggiunto al vetro senza piombo. L'ossido di piombo utilizzato nel vetro al piombo può essere ottenuto da una varietà di fonti. In Europa, galena e solfuro di piombo, erano ampiamente disponibili, e potevano essere utilizzati per produrre piombo metallico. Il piombo metallico veniva calcinato per creare ossido di piombo, arrostendolo e raschiando il litargirio. Nel periodo medievale il piombo poteva essere ottenuto riciclandolo da siti romani abbandonati e impianti idraulici, persino dai tetti delle chiese. Il piombo metallico era richiesto in notevoli quantità per la coppellazione dell'argento, e il litargirio risultante poteva essere utilizzato direttamente dai produttori di vetro. Il piombo veniva anche usato per smalti ceramici al piombo. Questa interdipendenza materiale suggerisce una stretta relazione di lavoro tra ceramisti, produttori di vetro e metalmeccanici.
I vetri al piombo apparvero per la prima volta in Mesopotamia, culla dell'industria vetraria. Il primo esempio noto è un frammento di vetro blu di Nippur datato al 1400 a.C. contenente il 3,66% di PbO. Il vetro è menzionato in tavolette di argilla del regno di Assurbanipal (668-631 a.C.) e una ricetta per il vetro al piombo appare in una tavoletta babilonese del 1700 a.C. Una torta di ceralacca rossa trovata nel palazzo bruciato di Nimrud, dell'inizio del VI secolo a.C., contiene il 10% di PbO. Questi valori bassi suggeriscono che l'ossido di piombo potrebbe non essere stato aggiunto consapevolmente e che certamente non è stato usato come agente di flusso primario nei vetri antichi.
Il vetro al piombo si trova anche in manufatti della Dinastia Han (206 a.C. - 220). Lì, è stato usato per imitare la giada, sia per oggetti rituali come figure grandi e piccole, sia per gioielli e una gamma limitata di vasellame. Poiché il vetro si presenta per la prima volta in Cina in una data così tardiva, si pensa che la tecnologia sia stata portata attraverso la via della seta da vetrai del Medio Oriente. La differenza compositiva fondamentale tra silice occidentale-natron e il vetro al piombo cinese, tuttavia, può indicare uno sviluppo autonomo.
In epoca medievale e della prima Europa moderna, il vetro al piombo veniva utilizzato come base per vetri colorati, in particolare per tessere di mosaico, smalti, vetrate policrome e bigiotteria, dove veniva usato per imitare le pietre preziose. Diverse fonti testuali che descrivono il vetro al piombo sono giunte fino ai nostri tempi. Tra la fine dell'XI e l'inizio del XII secolo, venne pubblicato Schedula Diversarum Artium (Elenco dei vari mestieri), che, l'autore noto come "Teofilo", descrive il suo uso come imitazione di gemme, e il titolo di un capitolo perduto del lavoro menziona l'uso del piombo nel vetro. Lo pseudonimo di Eraclio, del XII-XIII secolo, descrive in dettaglio la produzione di smalto al piombo e il suo uso nella pittura di finestre nel suo De Coloribus et artibus Romanorum (Della tonalità e artigianato dei Romani). Questo si riferisce al vetro al piombo come "vetro ebraico", forse indicando la sua trasmissione in Europa dal Medio Oriente. Un manoscritto custodito presso la Biblioteca Marciana di Venezia, descrive l'uso dell'ossido di piombo negli smalti e include ricette per calcinare il piombo per formare l'ossido. Il vetro al piombo era ideale per smaltare vasi e finestre a causa della sua temperatura di lavoro più bassa rispetto al vetro tradizionale.
Antonio Neri dedicò il suo quarto libro de L’Arte Vetraria (1612) al vetro al piombo. In questo primo trattato sistematico sul vetro, fa nuovamente riferimento all'uso del vetro al piombo negli smalti, oggetti di vetro e per l'imitazione delle pietre preziose. Christopher Merret lo tradusse in inglese nel 1662 (The Art of Glass), aprendo la strada alla produzione di vetro al piombo da parte di George Ravenscroft.
George Ravenscroft (1618-1681) fu il primo a produrre articoli in cristallo bianco al piombo su scala industriale. Figlio di un commerciante con stretti legami con Venezia, Ravenscroft disponeva delle risorse culturali e finanziarie necessarie per rivoluzionare il commercio del vetro, ponendo le basi dalle quali l'Inghilterra superò Venezia e la Boemia come centro dell'industria del vetro nel XVIII e XIX secolo. Con l'aiuto dei vetrai veneziani, in particolare di Costa, e sotto l'egida della Worshipful Company of Glass Seller di Londra, Ravenscroft cercò di trovare un'alternativa al cristallo veneziano. Il suo uso della selce come fonte di silice portò al termine flint glass (vetro selce) per descrivere questi bicchieri di cristallo, nonostante il suo successivo passaggio alla sabbia silicea. Inizialmente, i suoi vetri tendevano a sviluppare una rete di piccole crepe che ne distruggevano la trasparenza, superata poi sostituendo un po' del potassio con ossido di piombo nella fusione, fino al 30%. La reticolatura derivava da un eccesso di alcali e poteva essere causata da un'eccessiva umidità e da difetti intrinseci nella composizione del vetro. Egli ottenne un brevetto nel 1673, e la produzione fu spostata dalla fabbrica nel centro di Londra a quella nuova di Henley-on-Thames. Nel 1676, dopo aver apparentemente superato il problema della reticolatura, Ravenscroft ottenne l'uso di un sigillo di corvo come garanzia di qualità. Nel 1681, anno della sua morte, il brevetto andò a scadere e le operazioni si svilupparono rapidamente tra diverse altre aziende, e nel 1696 ventisette delle ottantotto vetrerie presenti in Inghilterra, in particolare a Londra e Bristol, producevano vetro contenente il 30-35% di PbO.