1.4. Способы выражения состава стекла

Известны различные способы выражения состава стекла:

• в оксидах;

• приведенных оксидах;

• простых катионах и анионах;

• относительных катионных фракциях;

• определенных химических соединениях.

В табл. 1.3 показаны способы выражения составов стекол в молярных и атомных соотношениях.

Таблица 1.3

Способы выражения состава стекла (Na₂O · CaO · 3SiO2; f_Si = 0,375)

Главнейшей характеристикой типа структуры стеклообразных силикатов является отношение числа атомов кремния к числу атомов кислорода: f_Si = Si / О, так как f_Si отражает степень связности кремнекислородного каркаса. Отношение fSi лежит в основе современной классификации силикатов по их структуре. Одинаковый молекулярный процент SiO₂ в различных стеклах свидетельствует и об одинаковой средней степени связности кремнекислородного каркаса. А от степени связности кремнекислородного каркаса в значительной мере зависят свойства стекол. Этот фактор наиболее просто учитывается лишь при выражении состава стекла в оксидах. Способ выражения состава стекла в оксидах наиболее удобен в практическом отношении.

В приведенных формулах оксидов число атомов кислорода вычисляется относительно одного атома Me, например: NaО_0,5, CaO, SiО₂, VO_2,5, МоО₃ и т. п. В американской литературе широко распространен способ выражения состава стекла в относительных катионных фракциях f_Ме, равных отношению числа атомов Me каждого вида к числу атомов кислорода: f_Ме = Ме/О.

Способы выражения состава стекла в оксидах и относительных катионных фракциях являются наиболее широко используемыми.

В полном наименовании стекла сначала перечисляют оксиды одновалентных элементов, затем двухвалентных и т. д. в порядке возрастания их концентрации. Название главного элемента, образующего стекло, всегда ставится в конце.

1.4.1. Пересчет состава стекла из массовых процентов в молярные

Выражение состава стекла в массовых процентах является наиболее распространенным, широко используется в производственной практике.

При использовании диаграмм «состав – свойство» в расчетах свойств и тепловых расчетах возникает необходимость выражать состав стекла в молярных процентах.

Расчет выполняется в два этапа:

– определяют число молей в стекле всех компонентов по формуле

;                           (1.2)

– рассчитывают молярные проценты Ni по формулам

;                  (1.3)

,          (1.4)

где    P_i – cодержание i-го оксида в мас. %;

M_i – молекулярная масса i-го оксида;

n_i – число молей i-го оксида.

1.4.2. Приведение химического состава стекла к 100 %

Состав сырьевых материалов и стекла, полученный в результате химического анализа, часто в сумме не составляет точно 100 %. Для приведения состава стекла к 100 % используется формула

,           (1.5)

где    Р₀ – содержание компонента по данным анализа, %;

Р – содержание компонента в приведенном к 100 % составе, %.

1.4.3. Пересчет химического состава влажного материала на сухое вещество

Если пересчитываемый состав предварительно приведен к 100 %, используется формула

.           (1.6)

Если химический состав не приведен к 100 %, пользуются выражением

,             (1.7)

где    P – содержание компонента в сухом материале, %;

W – содержание влаги, %;

P_w – cодержание компонента во влажном материале, %;

Σ – сумма содержания компонентов в пробе по данным анализа, %.

Задание 1

1. Выполнить задания для самоконтроля

2. Выполнить расчет

Задания для самоконтроля

1. Соотнесите названия стекол с формулами стеклообразователей, пользуясь рис. 1.1:

   1) элементарные	A) BeF2;
   2) галогенидные	Б) S, Se, Te, P, C;
   3) халькогенидные	В) SiO2, B2O3, P2O5;
   4) оксидные	Г) AsS, GeS, GePS.

2. Выберите наиболее полное и правильное название стекла следующего состава: Na₂O·Al₂O₃·6 P₂O₅

1) алюмофосфатное;

2) натриево-алюмофосфатное;

3) фосфорно-алюминатное;

4) фосфорно-натриевоалюминатное.

3. Соотнесите свойства стекол с данными кривых, пользуясь рис. 1.3, на котором представлена зависимость свойств стекла и их производных от температуры в интервале стеклования:

1) кривая 1;

2) кривая 2;

3) кривая 3.

Мольный объем	Теплоемкость	КТР	Теплопроводность	Энтальпия	Энтропия

4. Укажите соответствие между температурной областью и состоянием стекла в ней, пользуясь рис. 1.6:

   температурная область	состояние стекла	Рис. 1.6. Удлинение образца стекла при нагреве
   1) (100-400) ºС	А) хрупкое;
   2) (400-540) ºС	Б) жидкое;
   3) (>540) ºС	В) пластичное.

5. Укажите, какому номеру кривой на рис. 1.2 соответствует рентгенограмма кварцевого стекла:

1) кривая 1;     2) кривая 2;     3) кривая 3.

6. Пользуясь рис. 1.1, укажите не менее пяти элементов, оксиды которых выступают в роли модификаторов и стеклообразователей:

   модификаторы
   стеклообразователи

7. Определите удельное удлинение образца стекла А₁ после 140 часов выдержки при температуре 435 ºС, пользуясь рис. 1.5.

8. Выберите характеристики, относящиеся к стеклообразной структуре SiO₂, пользуясь рис. 1.7:

1) дальний порядок;

2) неправильные шестичленные кольца;

3) искаженная кристаллическая решетка;

4) ближний порядок.

9. Сочленение тетраэдров в стеклообразном веществе осуществляется:

1) через вершины;

2) через ионы модификаторов;

3) через ребра;

4) через грани.

10. Приведите формулу определения степени связности кремнекис-лородного каркаса. Каково максимальное значение степени связности?

11. Рассчитайте степень связности (f_Si) для стекол, составы которых представлены формулами, и соотнесите со значениями:

    формула	fSi
    1) Na2O · CaO · 4 SiO2	А) 0,375;
    2) Na2O · CaO · 3 SiO2	Б) 0,33;
    3) Na2O · CaO · 2 SiO2	В) 0,4.

12. По значению величины f_Si (рассчитанной выше) проранжируйте их склонность к кристаллизации:

1) Na₂O · CaO · 4 SiO₂;

2) Na₂O · CaO · 3 SiO₂;

3) Na₂O · CaO · 2 SiO₂.

13. Катионы, способные формировать координационные группировки и образующие структурную непрерывную сетку, называются ______

14. Рассчитайте степень связности для стекол и по этим величинам расставьте номера стекол в порядке увеличения значения их вязкости:

1) (Na₂O · 2 SiO₂);

2) (Na₂O · 6 SiO₂);

3) (Na₂O · 4 SiO₂).

15. С увеличением количества модификаторов степень связности кремнекислородного каркаса f_Si:

1) усиливается;

2) остается прежней;

3) ослабевает.

16. Ионы алюминия в четверной координации в алюмосиликатном стекле играют роль _______________

17. В каком стекле газонасыщенность выше при одинаковых условиях?

1) в Na₂O · CaO · 6SiO₂;

2) в Na₂O · 2CaO · 4 SiO₂.

18. При увеличении компактности упаковки структуры стекла газопроницаемость:

1) увеличивается;

2) не меняется;

3) уменьшается.

19. Высокая химическая и термическая стойкость кварцевого стекла объясняется тем, что все ионы кислорода:

1) мостиковые;

2) немостиковые.

Задание для расчета

Пользуясь данными таблицы 1, в которой приведены составы промышленных стекол, выполнить следующие задания. Номер задания соответствует номеру студента в списке группы и определяет состав стекла.

Исходные данные к заданию

Таблица 1

Составы промышленных стекол, масс %