玻璃的结构和组成教学文稿.ppt

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1、玻璃的结构和组成一、玻璃的定义1、狭义定义：熔融、冷却、固化的非结晶的无机物，即无机玻璃，硅酸盐玻璃。2、广义定义：呈现玻璃转变现象的非晶态固体。玻璃转变现象是指当物质由固体加热或由熔体冷却时，在相当于晶态物质熔点2/3~1/2温度附近出现性能突变。这一温度称为玻璃转变温度。1.1玻璃的定义与通性二、玻璃的通性1、各向同性物理化学性质在任何方向都是相同的，是统计均质结构的外在表现。2、介稳性比相应结晶态物质含有较大的能量，不是能量最低状态。从热力学观点，有析晶的可能，是不稳定的；从动力学观点，转变速率很小，稳定的。3、无固定熔点转化温度范围4、性质变化的连续性和

2、可逆性玻璃态物质从熔融状态冷却（或相反加热）过程中，其物理化学性质产生逐渐和连续的变化，而且是可逆的。1.2玻璃的结构学说近代玻璃结构学说有：晶子学说、无规则网络学说、凝胶学说、五角形对称学说、高分子学说等。目前较为流行的是晶子学说和无规则网络学说。一、晶子学说提出：1921年列别捷夫研究光学玻璃退火时，发现折射率随温度变化曲线上520℃附近有突变，认为这是玻璃中石英“微晶”晶型转变所致。内容：认为玻璃是由无数“晶子”所组成。晶子是尺寸极其微小、晶格变形的有序排列区域，分散在无定形介质中，从晶子到无定形部分是逐步过渡的，没有明显的界限。论据：①玻璃的X射线衍射图

3、一般有宽广的（或弥散的）衍射峰，与相应晶体的强烈尖锐的衍射峰有明显的不同，但二者峰值所处的位置基本是相同的。②把晶体磨成细粉，颗粒度小于0.1μm时，其X射线衍射图也产生一种宽广的（或弥散的）衍射峰，与玻璃类似，而且颗粒度越小，衍射图的峰值宽度越大。意义：晶子学说第一次指出玻璃中存在微不均匀性，即存在一定的有序区域，这构成了该学说的合理部分。对玻璃分相、晶化等的理解有重要价值。二、无规则网络学说提出：1932年查哈里阿森借助于哥希密特的离子结晶化学原理，并参照玻璃的某些性能与相应晶体的相似性提出了无规则网络学说。内容：凡是成为玻璃态的物质与相应的晶体结构一样，也

4、是由一个三度空间网络所构成，这种网络是离子多面体构筑起来的。晶体结构网是由多面体无数次有规律重复而构成，而玻璃中结构多面体重复没有规律性。石英玻璃：与石英晶体类似存在最小结构单元—硅氧四面体，但排列是无序的，缺乏对称性和周期性。钠钙硅玻璃：由硅氧四面体为结构单元的三度空间网络所组成，碱金属和碱土金属离子均匀而无序的分布于四面体之间的空隙中，以维持网络中局部的电中性。石英玻璃结构模型石英晶体结构模型意义：无规则网络学说着重说明了玻璃结构的连续性、统计均匀性和无序性，可以解释玻璃的各向同性、内部性质均匀性和随成分改变时玻璃性质变化的连续性等。综上所述：网络学说强调了

5、玻璃中多面体相互间排列的连续性、均匀性和无序性；而晶子学说则强调了不连续性、有序性和微不均匀性。所以，玻璃是连续性、不连续性，均匀性、微不均匀性，无序性、有序性几对矛盾的对立统一。1.3硅酸盐玻璃结构1.3.1石英玻璃结构目前一般倾向于用无规则网络学说的模型描述石英玻璃结构，认为石英玻璃结构主要是无序而均匀的，有序范围大约只有0.7~0.8nm。[SiO4]是熔融石英玻璃的基本结构单元。Si原子位于四面体的中心，O原子位于四面体的四个顶角，O-Si-O键角109°28ˊ。Si-O键是极性共价键，离子性与共价性约各占50%，键强较大约为106cal/mol。整个[

6、SiO4]正负电荷重心重合，不带极性。玻璃结构的无序性主要是由于Si-Si距离（即Si-O-Si键角）的可变性造成的。[SiO4]之间的旋转角度也是无序分布的。所以[SiO4]之间不能以边或面相连，而只能以顶角相连。石英玻璃是[SiO4]之间以顶角相连，形成一种向三度空间发展的架状结构，内部存在许多空隙。1.3.2碱硅酸盐玻璃结构熔融石英玻璃中加入碱金属氧化物，会使原有[SiO4]三度空间网络发生解聚，出现与一个硅原子键合的非桥氧，碱金属离子处于非桥氧附近的网穴中，中和过剩电荷。原因：碱金属氧化物的加入使氧硅比值相对增大。结果：[SiO4]网络失去原有的完整性，

7、结构减弱疏松，导致一系列性能变坏。1.3.3钠钙硅玻璃结构CaO的加入使钠硅玻璃结构加强，一系列性能变好，成为各种实用钠钙硅玻璃的基础。源于钙本身的特性及在结构中的作用。Ca2+半径0.99埃与Na+半径0.95埃相近，但电荷比Na+大一倍，场强比钠大得多。具有强化结构和限制Na+活动的作用。1.4硼酸盐玻璃结构1.4.1氧化硼玻璃结构[BO3]是氧化硼玻璃的基本结构单元。[BO3]是平面三角形结构。B-O键是极性共价键，共价性成分约占56%，键强略大于Si-O键，约为119cal/mol。整个[BO3]正负电荷重心重合，不带极性。根据X射线衍射和核磁共振的研究

8、，证明B2O3玻璃是由[