熔体和玻璃体习题与解答

第四章熔体和玻璃体
1、名词解释
⑴晶子学说和无规则网络学说
⑵单键强
⑶分化和缩聚
⑷网络形成剂和网络变性剂
答：⑴晶子学说：玻璃内部是由无数“晶子”组成，微晶子是带有晶格变形的有序区域。

它们分散在无定形介中质，晶子向无定形部分过渡是逐渐完成时，二者没有明显界限。

无规则网络学说：凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。

这种网络是由离子多面体（三角体或四面体）构筑起来的。

晶体结构网是由多面体无数次有规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律性。

⑵单键强：单键强即为各种化合物分解能与该种化合物配位数的商。

⑶分化过程：架状[SiO4]断裂称为熔融石英的分化过程。

缩聚过程：分化过程产生的低聚化合物相互发生作用，形成级次较高的聚合物，次过程为缩聚过程。

⑷网络形成剂：正离子是网络形成离子，对应氧化物能单独形成玻璃。

即凡氧化物的单键能/熔点>0.74kJ/molk 者称为网络形成剂。

网络变性剂：这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变，即单键强/熔点<0.125kJ/molk者称为网络变形剂。

2、说明熔体中聚合物形成过程？
答：聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位，组成大小不同的聚合体。

可分为三个阶段。

初期：石英的分化；
中期：缩聚并伴随变形；
后期：在一定时间和一定温度下，聚合和解聚达到平衡。

3、简述影响熔体粘度的因素？
答：影响熔体粘度的主要因素：温度和熔体的组成。

碱性氧化物含量增加，剧烈降低粘度。

随温度降低，熔体粘度按指数关系递增。

4、试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2熔体。

它们的结构有什么不同？答：利用X-射线检测。

晶体SiO2-质点在三维空间做有规律的排列，各向异性。

SiO2
熔体-内部结构为架状，近程有序，远程无序。

SiO2玻璃-各向同性。

硅胶-疏松多孔。

5、玻璃的组成是13重量百分比Na2O、13重量百分比CaO、74重量百分比SiO2，计算桥氧分数？
解：
Na2O CaO SiO2
wt% 13 13 74
mol 0.21 0.23 1.23
mol% 12.6 13.8 73.6
R=(12.6+13.8+73.6 ×2)/ 73.6=2.39
因Z=4 所以X=2R﹣Z=2.39×2﹣4=0.72
Y=Z﹣X= 4﹣0.72=3.28
氧桥分数为3.28/（3.28×0.5+0.72）=69.5%
6、有两种不同配比的玻璃，其组成如下：
试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？
解：对于1：Z=4 R1=O/Si=2.55
X1=2R1﹣4=1.1 Y1=Z﹣X1= 4﹣1.1=2.9
对于2：R2= O/Si=2.45
X2=2R2﹣4=0.9 Y2= 4﹣X2= 4﹣0.9=3.1
由于Y1﹤Y2所以序号1的玻璃组成的粘度比序号2的玻璃小。

7、在SiO2中应加入多少Na2O，使玻璃的O/Si=2.5，此时析晶能力是增强还是削弱？
解：设加入x mol的Na2O，而SiO2的量为y mol。

则O/Si=（x+2y）/ y =2.5
x=y/2 即二者的物质量比为1:2时，O/Si=2.5。

因为O/Si增加了，粘度下降，析晶能力增强了。

8、试比较硅酸盐玻璃与硼酸盐玻璃在结构与性能上的差异。

答：结构差异：硅酸盐玻璃：石英玻璃是硅酸盐玻璃的基础。

石英玻璃是硅氧四面体[SiO4]以顶角相连而组成的三维架状结构。

由于Si-O-Si键角变动范围大，使石英玻璃中[SiO4]四面体排列成无规则网络结构。

SiO2是硅酸盐玻璃中的主要氧化物。

硼酸盐玻璃：B和O交替排列的平面六角环的B-O集团是硼酸盐玻璃的重要基元，这些环通过B-O-B链连成三维网络。

B2O3是网络形成剂。

这种连环结构与石英玻璃硅氧四面体的不规则网络不同，任何O-B三角体的周围空间并不完全被临接的三角体所填充，两个原子接近的可能性较小。

性能差异：硅酸盐玻璃：试剂和气体介质化学稳定性好、硬度高、生产方法简单等优点。

硼酸盐玻璃：硼酸盐玻璃有某些优异的特性。

例如：硼酐是唯一能用以制造有吸收慢中子的氧化物玻璃；氧化硼玻璃的转化温度比硅酸盐玻璃低得多；硼对中子射线的灵敏度高，硼酸盐玻璃作为原子反应堆的窗口对材料起屏蔽中子射线的作用。

9、解释硼酸盐玻璃的硼反常现象？
答：硼反常现象：随着Na2O（R2O）含量的增加，桥氧数增大，热膨胀系数逐渐下降。

当Na2O含量达到15%-16%时，桥氧又开始减少，热膨胀系数重新上升，这种反常现象就是硼反常现象。

硼反常现象原因：当数量不多的碱金属氧化物同B2O3一起熔融时，碱金属所提供的氧不像熔融SiO2玻璃中作为非桥氧出现在结构中，而是使硼转变为由桥氧组成的硼氧四面体。

致使B2O3玻璃从原来二度空间层状结构部分转变为三度空间的架状结构，从而加强了网络结构，并使玻璃的各种物理性能变好。

这与相同条件下的硅酸盐玻璃性能随碱金属或碱土金属加入量的变化规律相反。

10、试比较硅酸盐晶体与硅酸盐玻璃在结构上有何异同点？
答：晶体与玻璃体都是三维空间网络所构成。

是物质的两种不同形态，晶体结构网络由多面体无数次有规律重复而构成，而玻璃体结构中多面体的重复没有规律性。

晶体结构是近程有序，远程也有序的结构。

而玻璃是近程有序，远程无序的无定形物质。

11.为什么要研究熔体和玻璃？（结构和性能）
答：⑴熔体是玻璃制造的中间产物；
⑵瓷釉在高温状态下是熔体状态；
⑶耐火材料的耐火度与熔体含量有直接关系；
⑷瓷胎中40%—60%是玻璃状态（高温下是熔体态）。

12．熔体化学键R－O键的作用是什么？
答：熔体中R－O键的键性以离子键为主。

当R2O、RO引入硅酸盐熔体中时，Si4+能把R －O上的氧离子吸引到自己周围，使Si－O键的键强、键长、键角发生改变，最终使桥氧断裂。

13．简述熔体形成过程，以Na2O—SiO2熔体为例。

答：(1) 石英的分化；
(2) 升温和无序化；
(3) 缩聚反应；
(4) 熔体中的可逆平衡；
14．聚合物的形成大致分为哪几个个阶段？最终熔体组成是什么？
答：聚合物的形成大致分三阶段：
①初期：主要是石英颗粒的分化；
②中期：缩聚反应并伴随聚合物的变形；
③后期：在一定温度(高温)和一定时间(足够长) 下达到聚合＜＝＞解聚平衡。

最终熔体组成是：不同聚合程度的各种聚合体的混合物。

即低聚物、高聚物、三维碎片、游离碱、吸附物。

15．熔体结构的基本理论是什么？其理论的要点有哪些？
答：聚合物理论。

聚合物理论要点：
（1）、硅酸盐熔体是由不同级次、不同大小、不同数量的聚合物组成的混合物。

所谓的聚合物是指由[SiO4]连接起来的硅酸盐聚离子。

（2）、聚合物的种类、大小、分布决定熔体结构，各种聚合物处于不断的物理运动和化学运动中，并在一定条件下达到平衡。

（3）、聚合物的分布决定熔体结构，分布一定，结构一定。

（4）、熔体中聚合物被R＋，R2＋结合起来，结合力决定熔体性质。

（5）聚合物的种类、大小、数量随温度和组成而发生变化。

16．表面张力(σ)的定义是什么？使σ下降的有哪些？
答：定义：扩展液体表面需要做功，表面能即将表面增大一个单位面积所需要作的功(或把质点从内部移到表面所消耗的能量)。

常用物质：（1) K2O 、PbO 、B2O3 、Sb2O3 、Cr2O3 (有表面活性，当加入量多时粘度下降。

) ；(2) V2O5 、As2O5 、SO3(强表面活性剂) 。

17．玻璃的通性有哪些？
答：⑴各向同性；
⑵介稳性；
⑶凝固的渐变性和可逆性；
⑷由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度变化的连续性。

18．什么键型能形成玻璃？其重要因素是什么？能形成玻璃的原因是什么？
答：离子共价混合键和金属共价混合键能形成玻璃。

重要因素:共价因素和强的极化作用
原因：当离子键向共价键过渡，离子共价混合键，主要在于有SP电子形成的杂化轨道，并构成σ键和π键，通过强烈的极化作用，这种混合键既具有离子键易改变键角、易形成无对称变形的趋势，有利于造成玻璃的远程无序，又有共价键的方向性和饱和性，不易改变键长和键角的倾向，造成玻璃的近程有序，因此容易形成玻璃。

19．玻璃结构的定义和特点是什么？
答：定义：是指玻璃中质点在空间的几何配置、有序程度以及彼此间的结合状态。

特点：近程有序，远程无序
20．比较硅酸盐玻璃与硅酸盐晶体结构上显著的差别。

答：(1) 晶体中Si－O骨架按一定对称性作周期重复排列，是严格有序的，在玻璃中则是无序排列的。

晶体是一种结构贯穿到底，玻璃在一定组成范围内往往是几种结构的混合。

(2) 晶体中R＋或R2＋阳离子占据点阵的位置：在玻璃中，它们统计地分布在空腔内，平衡Onb的负电荷。

虽从Na2O-SiO2系统玻璃的径向分布曲线中得出Na+平均被5～7个O 包围，即配位数也是不固定的。

(3)晶体中，只有半径相近的阳离子能发生互相置换，玻璃中，只要遵守静电价规则，不论离子半径如何，网络变性离子均能互相置换。

(因为网络结构容易变形，可以适应不同大小的离子互换)。

在玻璃中析出晶体时也有这样复杂的置换。

(4)在晶体中一般组成是固定的，并且符合化学计量比例，在形成玻璃的组成范围内氧化物以非化学计量任意比例混合。