Кварцевое стекло. Его свойства, производство и применение - Глаголев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
Так, в случае атома кислорода (рис.20) внешняя орбита содержит б электронов и до устойчивой конфигурации нехватает еще 2 элек-. тронов, места которых на рисунке изображены незачерненкыми кружками. Что касается атома кремния, то он имеет лишь 4 валентных электрона, и для получения устойчивой системы к нему необходимо присоединить еще 4 электрона. Отсюда непосредственно следуют возможные пути химической реакции между кремнием и кислородом. Атом кремния отдает свои валентные электроны двум атомам кислорода, дополняя .их внешние орбиты до 8 электронов. Тем самым кремний освобождается от неустойчивой внешней орбиты, укрепляя одновременно внешнюю Л "ТУ .1ХИСл0Р°Да- Рис. 21, дающий схематическое изображение молекулы ыо2, поясняет сказанное.
4*
Рис. 21. Схематическое изображение молекулы крем-, незема.
50
кремнезема
Однако нас здесь непосредственно интересует не реакция образования молекулы кремнезема, но возможные пути соединения этих молекул между собой, т. е. полимеризации 8Ю2. Весьма важно выяснить, не дает ли набросанная выше в кратких чертах картина оснований для суждения о внутренней сущности процессов агрегаций молекул в расплавленном кремнеземе, при его постепенном переохлаждении. Чрезвычайно ценные соображения в этом направлении были' высказаны Боэтап55, развившим теорию образования такого рода' молекулярных комплексов. По Бозглап связывающим звеном между отдельными молекулами кремнезема являются атомы кремния, соединяющиеся друг с другом посредством 2 электронов (рис. 22). Так как теперь каждый атом кремния может уступить 2 атомам кислорода, образующим с ним молекулу 5Ю2, лишь 2 электрона (2 других пошли, как .сказано, для связи с атомом кремния соседней молекулы), т. е. по 1 электрону на каждый атом О, то для образования устойчивой конфигурации кислородные атомы связываются друг с другом 2 электронами. В результате, как это ясно видно из рисунка,мы получаем молекулярный комплекс, в котором все атомы как кислорода, так _ _ и кремния имеют на внеш-
Э1 Х^*^ ^ч!^/ \^»-- ней орбите по 8 электро-) /*т*} ¦ нов* вполне естественно,
+" *+ * что такая конфигурация
весьма устойчива.
Легко видеть, что количество молекул 8Ю2, могущих быть связанными в одну систему, никакими внутренними причинами не ограничено. Образовавшийся таким образом агрегат имеет вы тянутую нитевидную форму и состоит как бы из центрального стержня атомов кремния, от которого отпочковываются в стороны пары кислородных атомов. Зовтап полагает, что длина таких нитевидных образований может колебаться от сотен до миллиона атомных диаметров, т. е. до величины 0,16 мм.
Развитая 8озтап теория нитевидного строения молекулярных комплексов кремнезема проливает свет на многие факты, казавшиеся раньше весьма странными. Так например, исключительная крепость кварцевых нитей, значительно большая, чем крепость изделий из кварцевого стекла другой формы, находит себе объяснение в ориентации молекулярных групп в результате вытягивания нити, аналогично тому, что мы имеем в случае нитевидных образований органических веществ (нити шелка, целлюлозы и т. д.). Наличие такой ориентации, когда агрегаты БЮ2 расположены вдоль оси нити приблизительно параллельно друг другу,' повидимому подтверждается опытами Ба I-т?.п& и Бт-оеззег56, установившими большую плотность кварцевого стекла, взятого в форме тонкой трубочки, по сравнению с тем же стеклом в форме шарика. Ориентация молекул , вполне понятно, влечет более плотное заполнение пространства веществом. Точно так же явлением ориентации нитевидных комплексов вдоль оси протягивания можно объяснить отмеченное Са!1епс1агБ7 различие в расширении трубки из кварцевого стекла в зависимости от направления вдоль или поперек оси трубки.
полимеризации Sosman.
Наконец, той же нитевидной структурой частиц кварцевого стекла можно объяснить его высокую вязкость. При наличии такой структуры, когда мы имеем клубок перевившихся нитевидных arpe-' гатов, становятся понятными те препятствия, которые стоят на пути взаимного перемещения частей кварцевой массы. Каждое такое перемещение связано с необходимостью «выдернуть» нитевидные молекулы из остающегося неподижным клубка.
Следует признать, что рассмотренная теория молекулярной структуры кварцевого стекла не может считаться завершенной. Весьма многие вопросы продолжают еще оставаться невыясненными. Так например, совершенно неизвестна динамика образования молекулярных комплексов при охлаждении вязкой массы. Sosman, автор теории, повидимому вовсе отрицает существование такой динамики и весь протесе перехода вязкой массы в хрупкое стекло склонен рассматривать лишь в свете изменения теплового движения уже существующих комплексов. Между тем целый ряд фактов говорит за то, что переход ( SiO, в стекло сопровождается не только уменьшением подвижности' частиц, но также какими-то изменениями в их строении, а может быть, и взаимной ориентации. К такого рода фактам относится например изменение тех или иных свойств в зависимости от тепловой истории стекла и главным образом скорости охлаждения. Наличие такой за- ¦ висимости указывает на существование явления «созревания» стекла из вязкой массы, и вряд ли приходится сомневаться в существовании связи между этим «созреванием» и процессами агрегации.
