Быть или не быть химическим реакциям при охлаждении расплава?
Следуя логике вышеизложенного, мы можем сформулировать простое правило, определяющее то или иное поведение расплава при охлаждении – будут ли в нём происходить структурообразующие химические реакции, которые дадут затвердевание в стекло, или не будет таких реакций, что даст кристаллизацию.
Сразу после расплавления молекулярного кристалла, расплав состоит из тех же молекул, из которых был построен кристалл. От судьбы этих молекул при дальнейшем нагревании и зависит то, как поведёт себя расплав при охлаждении. Связи в молекулах могут быть прочными настолько, что они не рвутся при нагревании расплава вплоть до температуры кипения. Ясно, что при охлаждении такого расплава, начиная с любой температурной точки из интервала его существования, структурообразующие химические реакции в нём идти не будут, и произойдёт кристаллизация. Ситуация совершенно иная, если в расплаве часть химических связей в молекулах оказывается разорвана, так что появляются свободные валентности. При охлаждении такого расплава будут создаваться структурообразующие химические связи – и если, при стартовой температуре охлаждения, свободных валентностей достаточно для формирования, на таких связях, трёхмерной сетки, то расплав застеклуется даже при малой скорости охлаждения, превратившись в результате в «истинное стекло». Подчеркнём, что после разрыва химических связей в молекулах расплава, на каждые две свободные валентности приходится по одному тепловому кванту, т.е. все новые связи, которые могут образоваться, обеспечены тепловыми квантами. Поэтому, после расплавления кристалла, для образования структурообразующих химических связей не требуется экзотических мер, обогащающих вещество тепловыми квантами [11] – т.е., в отличие от стеклоподобных масс, у истинных стекол (как и у кристаллов), практически, отсутствуют атомы со свободными валентностями.
|
|
|
Сказанное подтверждается практикой изготовления однокомпонентного кварцевого стекла (см., например, прекрасные книги [12,15]). Сырьём здесь служат горный хрусталь, кварцит, жильный кварц, и обычный кварцевый песок. Широко известно, что песок – это диоксид кремния, но мало известно, что это кристаллический диоксид кремния. Т.е., песок – это тоже молекулярные кристаллы SiO2. Плавление этих кристаллов происходит в характеристической температурной точке. Модификации кварц-тридимит-кристобалит медленно переходят друг в друга, поэтому быстрым нагреванием кварца выше 1500оС можно расплавить его, не переводя в высокотемпературные модификации. Но аморфная масса, получаемая таким образом, в диапазоне 1000-1500оС неустойчива и легко переходит в кристаллическую модификацию – кристобалит [12]. Поэтому при производстве кварцевого стекла кристаллическое сырьё расплавляют, нагревая его до температур, которые выше температуры плавления самой высокотемпературной модификации, кристобалита, т.е. выше 1710оС. Это делается разными способами – например, с помощью водородно-кислородного пламени, или с помощью электрических и индукционных печей [12,15]. Так или иначе, расплав доводят до температур 1720-2000оС. Также и при производстве кварцевого оптоволокна, преформу (кварцевый прут) разогревают до 1800-2200оС и вытягивают из него нить.
|
|
|
По-видимому, при температурах, даже ненамного превышающих температуру плавления кристобалита – особенно при долгой выдержке, «способствующей сопротивляемости кристаллизации» [12] – в расплаве кварца у молекулярных комплексов образуется достаточное количество свободных валентностей, чтобы, при остывании, на структурообразующих связях сформировать трёхмерный каркас. Тогда, без вмешательства каких-то экзотических факторов, обратной дороги в кристалл нет. Впрочем, известен факт, который, казалось бы, противоречит нашей модели: выдержка кварцевого стекла при температурах около 1400оС приводит к его кристаллизации. Но, как показано специальными исследованиями, эта кристаллизация обусловлена наличием даже ничтожного количества примесей [15].
В целом, как можно видеть, наша теоретическая модель находится в согласии с технологическими приёмами производства кварцевого стекла.
Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 154; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!