2.2.2. Шыны құрылымы
Егер қайсы бір заттардың балқымасын балқу температурасынан төмен суытса, ол қатаяды. Қатаю мезгілінде көптеген заттардың балқымасы, мысалы металлдың, олардың балқытылуына кеткен жылуды кері шығара кристаллданады. Жылуды қайта шығаруының арқасында суыну тоқтайды. Графикте көрсетілгендей балқымалармпературасын төмендете өзгерткенде бір уақытта тұрақты температура ауданы пайда болады - А,В (2.8-сурет, 1 - қисық).
2.8-сурет. Кристаллдық (1) және шыны тәрізді (2) заттар балқымаларының суытылу сипаттамалары
Оның В нүктесінде балқыма түгелдей қатты дене болып бітеді. Шыны тәрізді заттардың балқымалары кристаллданылмай қатаяды. Бұлардың температурасы олар қатты және мортты денеге көшкенге дейінгі шамасына біртіндеп төмендейді. Шыны тәрізді заттарды қыздырғанда, олар керісінше біртіндеп жұмсарады, созымтал болып, содан кейін балқыма массаға көшеді және олардың қасиеттері үздіксіз өзгереді.
Сонымен, барлық аморфты денелер шыны деп аталады. Аморфты денелерді олардың химиялық құрамына және қатаю температура аймағына байланыссыз балқымаларды суыту арқылы алады. Суытылудың нәтижесінде біртіндеп қатая келе, олар қатты денелер қасиетіне ие болады және олардың сұйық күйінен шыны тәрізге көшу процесі қайтымды болуы керек. Қатайған кристаллдық заттардың айырмашылығы – олардың геометриялық дұрыс симметриялық ішкі құрылымы, яғни, ұласқан кристаллдық торы болады.
Мұндай кристаллдық торлары олардың иондарының белгілі бір дәл кеңістік тәртіппен қайталана орналасуымен құралған. Ал шыны тәрізді заттардың иондары қатаю процесінде тек әр жерде әр қалай орналасқан симметриялық емес құрылымдық қаңқа құрайтын тәртіппен жеке топтарға бірігеді. Бұл топтардың мөлшері мен реттелу дәрежесі балқыманың қандай температурада болғанына және оның суытылу жылдамдығына байланысты. Былайша айтқанда, шыны тәрізді заттар суыту мезгілінде өздерінде құралатын анда-мұнда орналасқан, кішкентай мөлшердегі реттелген құрылымдар бөліктерінің болатындығымен ерекшеленеді.
Шыны тәрізді заттардың құрылымы жалпы алғанда барлық бағытта бірдей, сондықтанда бұл заттар изотопты, яғни олардың қасиеттері кеңістіктің кез-келген бағытында біртекті, тек шынықтырылған күйінде жасалынған құрылымы реттелген шыныда ғана анизотроптық қасиеттер (оптикалық, магниттік және т.б.) болуы мүмкін.
Екінші бір гипотеза бойынша шыны құрылымы ешқандай ретсіз құралған үзіліссіз кеңістік торынан тұрады. Бұл тор түйіндерінде иондар, атомдар немесе атомдар топтары орналасады. Бір ғана таза кремний тотығынан тұратын кварцтық шынылар құрылымын алайық. Онда Si ионы тетраэдрлер орталығында орналасқан, ал бұрыштарында – оттегі ионы О. Кремний оттегілер тетраэдрлері SiО өзара (бір оттегі арқылы) қосылғанда өздерінің сүйір ұштарымен (төбелерімен) үзіліссіз кеңістік торларын, яғни шыны қанқасын құрамалайды. Шихтаға, силикаттық шыныдағыдай басқа тотықтар енгізілген болса, онда тетраэдрлер арасындағы аралықта металлдар иондары (флюстер) орналасуы мүмкін. Мұндай жағдайда кварцтық шыныдағыдай тек коваленттік ғана емес, сонымен бірге қосымша иондық байланыстар да пайда болады. Бұл байланыстар тетраэдрлерді жарым-жартылай бір-бірінен бөлшектейді. Оның үстіне иондық байланымдар коваленттіктерден аздау бағытталынғандығымен ерекшеленеді.Осындай факторлардың әсерлерімен шыны тәрізді таза тотықтар құрылымына тән тұрақтылығы едәуір нашарлайды, балқу температурасы төмендейді, кристаллданудан оңайлау сақталынады. Металлдардың қосымша иондары ерекше бір сұйықтандырғыштар сияқты әсер етеді. Шыны құрылымында кремнийдің, бордың, фосфордың немесе басқа бір элементтердің азғантай коваленттік иондарымен тұрақты (коваленттік) байланыстардың жаратылуына оттегінің ықпалы өте күшті. Оттегінің дәл осы элементтердің иондарымен қосылуы тетраэдрдің құрылымын құрайды немесе үзіліссіз кеңістік шыны торының құрылымдық элементі сияқты басқа төмен координатты көпқырлыны құрастырады. Қалай болғанда да, кез-келген силикаттық шыныны құрама және құрылысы бойынша әр түрлі кремнийоттектік жинақтардың (комплекстердің) жиынтығы ретінде қараған жөн.
Шынылардың полимерлік құрылысы тұрғысындағы гипотезаға сәйкес олардың құрылымлық қаңқалары коваленттік байланыстығы басымырақ өзгеше құрылысты макромалекулалық қосындылары бар бейорганикалық полимер ретінде қарастырылады.
Сонымен, құрылыста жиі пайдаланатын силикаттық шынылар құрылысының өзгеше ерекшелігін ескере отырып, олардың біраз қасиеттерін шамалап болжауға болады.