Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Что мы знаем о структуре стекла
Структура вещества — очень широкое понятие, так что существуют разные уровни ее изучения. Один из основных вопросов при исследовании структуры: какими силами связаны между собой атомы вещества? Чтобы ответить на него, в принципе, надо знать конкретное распределение электронов в атомах и между ними. Если обратиться к стеклам, то сегодня еще очень далеко до полного понимания их электронного строения. Пока мы имеем лишь весьма ориентировочные представления об эффективных зарядах тех или иных атомов, о движении электронов по межатомным орбиталям и т. д. Но как теоретические, так и экспериментальные работы в этом направлении ведутся довольно активно, причем последние — прежде всего теми методами, которые позволяют прямо определить электронное строение исследуемого образца. В первую очередь, это анализ его оптических свойств, в частности способности поглощать и испускать энергию в видимой и прилегающих областях электромагнитного спектра. Ценную информацию дает также изучение взаимодействия электронов стекла с электромагнитными колебаниями других спектральных диапазонов: от очень коротковолновых (рентгеновские лучи) до длинноволновых (радиоволны). Вопрос об электронной структуре нельзя отрывать от атомного строения вещества, от того, как расположены друг относительно друга атомы. В кристаллах эта задача решается вполне удовлетворительно методами рентгенографии даже для очень сложных случаев. В стеклах все намного труднее: из-за отсутствия дальнего порядка в них нет той четкой дифракционной картины, по которой можно было бы рассчитать структуру, как в кристаллах. Однако исследование рассеяния рентгеновских лучей под большими углами позволяет построить кривые радиального распределения электронной плотности в стекле и по ним судить о числе «соседей» избранного атома, о расстояниях до них и т.д. Такие суждения сравнительно точны для ближайших «соседей» (первой координационной сферы) и тем приближеннее, чем больше расстояние между атомами. Эта первичная информация о веществе уже дает многое, характеризуя те «кирпичики», из которых составляется его структура. Так, подтвердилось предположение, что силикатные стекла, как и кристаллические силикаты, состоят из элементарных тетраэдров, в центре которых находятся атомы кремния, а в вершинах — кислорода.
Из рассеяния рентгеновских лучей следует также, что в силикатных стеклах есть неоднородности. В связи с этим первоначально высказывалась (в частности, академиком А. А. Лебедевым) гипотеза о том, что эти стекла образованы из маленьких кристалликов — кристаллитов. Вместе с тем на основе аналогичных исследований другими учеными выдвигались предположения о том, что стекло состоит из беспорядочно расположенных атомных групп и его структура однородна. Завязалась довольно длительная дискуссия, на начальном этапе которой представления о неоднородной и однородной структурах стекла противопоставлялись, но в итоге слились воедино, ибо по сути речь шла о разных сторонах одной проблемы. Действительно, структура оксидных стекол представлена элементокислородными «группировками» (чередованием атомов кислорода и тех или иных элементов), связанными в единую сетку и расположенными в ней неупорядоченно. Это не противоречит тому, что даже в простейших однокомпонентных стеклах, состоящих из окислов одного элемента, имеются неоднородности, скажем флуктуации плотности, присущие расплавам и «замороженные» в них при охлаждении. В стеклах более сложного химического состава наряду с флуктуациями плотности наблюдаются и флуктуации концентрации. Однако и этот тип неоднородностей не специфичен для стекол, а характерен для любой жидкости сложного состава, в том числе для стеклообразующих расплавов. В настоящее время в Институте химии силикатов (ИХС) АН СССР изучаются закономерности возникновения таких и аналогичных неоднородностей в структуре стекол. В частности, Е. А. Порай-Кошиц с сотрудниками разработал весьма совершенную методику экспериментов по рассеянию рентгеновских лучей стеклами, позволившую обнаружить усиление рассеяния под очень малыми углами, исчисляемыми минутами. Это привело к выводу о том, что в исследованных силикатных стеклах существуют неоднородности сравнительно больших размеров (десятки, сотни и даже тысячи ангстрем). К тому времени уже были известны работы академика И. В. Гребенщикова, в которых при обработке стекол кислотами создавались пористые структуры с порами таких же размеров.
Сначала эти результаты рассматривались как проявление химической неоднородности стекла, но в 1961 г. в ИХС Ф. Я. Галахов, сопоставив различные факты, объяснил наблюдаемую неоднородность стекол фазовым разделением в жидкости — метастабильной ликвацией. Своеобразие этого явления в том, что разделение фаз происходит ниже температуры начала кристаллизации, т. е. в метастабильной жидкости. Сегодня такое объяснение неоднородности стекол выглядит почти очевидным. Дело в том, что давно известно разделение на две жидкие фазы в похожих расплавах щелочно-земельных силикатов, однако там оно наблюдается выше этой температуры (называемой также температурой ликвидуса). В таких расплавах температура расслоения тем ниже, т. е. тем ближе к температуре ликвидуса, чем слабее поле иона. Ионы щелочных металлов имеют еще менее сильные поля, поэтому разделение расплавов со щелочными добавками, в принципе, могло ожидаться при температурах ниже температуры ликвидуса. Однако только эксперимент подтвердил фазовое расслоение жидкостей в метастабильных состояниях. Метастабильная ликвация изучалась различными экспериментальными методами весьма тщательно, разработана и ее теория, связывающая способность к фазовому разделению в оксидных расплавах с «конкуренцией» ионов щелочных металлов и кремния в их «стремлении» соединиться с ионами кислорода. Эта конкуренция в свою очередь определяется эффективными зарядами взаимодействующих ионов и поляризуемостью атомов кислорода. Фазовое разделение используется для получения пористых стекол. Процесс их производства основан на представлениях о «куполе» (форма кривой) ликвации в двухкомпонентных и о соответствующих областях расслоения в более сложных расплавах. Теоретически и то, и другое можно описать с помощью термодинамики гетерогенных систем. Но пока эта задача точно не решена даже для двухкомпонентных расплавов, не говоря уже о практически более важных и сложных по составу. Поэтому соответствующие фазовые диаграммы строят, пользуясь разнообразными экспериментальными данными: по рассеянию рентгеновских лучей, электронной микроскопии, температурно-концентрационным зависимостям различных свойств. Знание диаграмм фазового разделения позволяет рассчитать соотношение масс различных фаз и их химический состав. Таким образом удается судить о структуре фазового разделения — капельная она или каркасная, а по химическому составу фаз — и об их свойствах. Например, при разделении щелочного боросиликатного стекла на две фазы одна из них (обогащенная кремнеземом) оказывается химически устойчивой по отношению к действию кислот, а другая (щелочно-боратная) — легко выщелачивается, т. е. растворяется кислотами. Но такое фазовое разделение можно провести по-разному. Если щелочно-боратная фаза в виде отдельных капель вкраплена в фазу, богатую кремнеземом, то получится химически устойчивое стекло, напоминающее кварцевое, но более легкоплавкое и технологичное, более удобное для получения новых видов стеклянных изделий, в частности для электровакуумной промышленности. Еще шире применяют полученное при разделении фаз пористое стекло с каркасной структурой. Такие стекла в виде порошков используют как молекулярные сита в хроматографии, для очистки лекарственных препаратов, вакцин и т. д. Получают из пористого стекла и массивные изделия в виде пластин. Заполняя поры такого стекла различными веществами, создают новые материалы (фотохромные, магнитооптические и другие), отличающиеся высокими потребительскими качествами и техническими характеристиками.
|
||||||
Последнее изменение этой страницы: 2020-12-09; просмотров: 84; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.135.200.211 (0.006 с.) |