第4章 非晶态结构与性质
一、名词解释 1．熔体与玻璃体：
熔体即具有高熔点的物质的液体。 熔体快速冷却形成玻璃体。 2．聚合与解聚：
聚合：各种低聚物相互作用形成高聚物 解聚：高聚物分化成各种低聚物 3．晶子学说与无规则网络学说：
晶子学说（有序、对称、具有周期性的网络结构）： 1硅酸盐玻璃中含有无数的晶子 2晶子的互相组成取决于玻璃的化学组成
3晶子不同于一般微晶，而是带有晶体变形的有序区域，在晶子中心质点排列较有规律，远离中心则变形程度增大 4晶子分散于无定形物质中，两者没有明显界面
无规则网络学说（无序不对称不具有周期性的网络结构） 1形成玻璃态的物质与晶体结构相类似，形成三维的空间网格结构 2这种网络是离子多面体通过氧桥相连进而向三维空间规则 4．网络形成体与网络变性体：
网络形成体：能够单独形成玻璃的氧化物 网络变性体：不能单独形成玻璃的氧化物 5．桥氧与非桥氧：
桥氧：玻璃网络中作为两个成网多面体所共有顶角的氧 非桥氧：玻璃网络中只与一个成网多面体相连的氧
二、填空与选择
1. 玻璃的通性为：各向同性、介稳性、由熔融态向玻璃态转化是可逆与渐变的，无固定熔点、
由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度的变化连续性和物理化学性质随成分变化的连续性。
2．氧化物的键强是形成玻璃的重要条件。根据单键强度的大小可把氧化物中的正离子分为三类：网络形成体、网络中间体和网络改变体；其单键强度数值范围分别为单键强度＞335KJ/mol、单键强度介于250~335KJ/mol和单键强度＜250~335KJ/mol。
3．聚合物的形成可分为三个阶段，初期：石英颗粒的分化；中期：缩聚与变形；后期：在一定时间内分化与缩聚达到平衡。
4．熔体结构的特点是：近程有序、远程无序。
5．熔体是物质在液相温度以上存在的一种高能量状态，在冷却的过程中可以出现结晶化、玻璃化和分相三种不同的相变过程。
6．在玻璃性质随温度变化的曲线上有二个特征温度Tg （脆性温度）和Tf （软化温度），与这二个特征温度相对应的粘度分别为10Pa ·s 和10Pa ·s 。 7．在SiO 2玻璃中加入Na 2O 后，析晶能力将A ，玻璃形成能力将B 。 （A 增强 B减弱 C不变 ）（在熔点粘度越大，越不容易析晶，容易形成玻璃）
8．能单独形成玻璃的氧化物（网络形成体），其单键强度为B ；不能单独形成玻璃的氧化物（网络变性体），其单键强度为A 。（A 小于250KJ/mol；B 大于335KJ/mol；C 250～335KJ/mol ）
9．当温度不变时，硅酸盐熔体中的聚合物种类、数量与熔体组成（O/Si比）有关。O/Si比值大，表示碱性氧化物含量高，这时熔体中的B 。（A 高聚体数量增多；B 高聚体数量减少；C 高聚体数量多于低聚体；D 高聚体数量少于低聚体 ）
10．按照在形成氧化物玻璃中的作用，下列氧化物网络变体（单键强度＜250）有Na 2O 、CaO 、K 2O 、BaO ，中间体有Al 2O 3，网络形成体（单键强度＞335）有：SiO 2、B 2O 3、P 2O 5。（SiO 2、Na 2O 、B 2O 3、CaO 、Al 2O 3、P 2O 5、K 2O 、BaO ） 三、简述硅酸盐熔体聚合物结构形成的过程和结构特点。 初期：主要是石英（或硅酸盐）的分化； 中期：缩聚反应并伴随聚合物的变形；
12
8
后期：在一定温度（高温）和一定时间（足够长） 下达到缩聚、分化平衡。
结构特点：近程有序，远程无序
四、试用实验方法鉴别晶体SiO 2、SiO 2玻璃、硅胶和SiO 2熔体。它们的结构有什么不同？
可以通过X 射线衍射的方法鉴别 晶体SiO 2衍射强度时强时弱
SiO 2玻璃和SiO 2熔体呈现宽阔的衍射峰，而熔体的强度较玻璃强 硅胶：具有小角度散射的衍射峰
五、在SiO 2熔体中，随Na 2O 加入量的不同，粘度将如何变化，为什么？ CaO、MgO 、Al 2O 3、B 2O 3与SiO 2对熔体的粘度又有何影响，为什么？
1、随着Na 2O 的增加；在Na 2O 含量少的时候，提供游离氧使硅氧比上升，粘度下降，由于离子半径小，反极化作用强，下降速率快；在Na 2O 含量多的时候，提供游离氧使硅氧比上升，
粘度下降，由于O 含量高，离子半径小的具有较大的作用力矩，下降速率慢；
2、对于MgO ；即为RO ；能够提供O ，使硅氧比上升，粘度下降，由于离子势较大，使粘度上升，但上升量不及下降量，故MgO 能使粘度下降，但并非为迅速下降
3、、B 2O 3在含量低的时候增加含量，粘度上升，原因在于形成了[BO4]；含量较高的时候，增加含量，粘度下降，原因在于形成[BO3]。 4、加入SiO 2使硅氧比下降，粘度上升。
5、加入CaO ，低温增加粘度，高温时含量＞10~12%增加粘度，＜10~12时降低粘度
6、Al 2O 3能够使粘度上升
六、一种熔体在1300℃的粘度是3100dPa ·s ，在800℃是10dPa ·s ，在
8
2-2-
1050℃时其粘度为多少？在此温度下急冷能否形成玻璃？
B
lg η=A +
T
B B
；lg108=A +
1573.151073.15B B
3.5=A +；8=A +
1573.151073.15
4.5=3⨯10-4B ；B =15000; A =-6
15000
lg η=-6+
1323. 15
η=218776P a.S lg3100=A +
η介于103~107可以形成玻璃
七、简述晶子学说与无规则网络学说的主要内容，并比较两种学说在解释玻璃结构上的相同点和不同点。 晶子学说（有序对称有周期性重复结构） 1）硅酸盐玻璃中存在无数“晶子”；
2）“晶子”的化学性质取决于玻璃的化学组成；
3）“晶子”不同于一般微晶，而是带有晶格变形的有序区域，在“晶子”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大； 4）“晶子”分散在无定形介质中，两者无明显界线，逐渐过渡 无规则网络学说（无序不对称无周期性重复结构）
(1)形成玻璃态的物质与相应的晶体结构类似，形成连续的三维空间网络结构；
(2)这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向三维空间无规律的发展而构筑起来的；
相同点：玻璃的结构是近程有序、远程无序的。
八、根据玻璃形成条件，对下列几种物质形成玻璃的难易程度进行排序，并说明理由。SiO 2、Na 2O·SiO2、Na 2O·2SiO2、NaCl X:非桥氧 Y：桥氧 Z：配位数 R：硅氧比
S i O 2
Z =4; R =2X +Y =Z X +0. 5Y =R Y =4；X =0
Na 2O ·S i O 2Z =4; R =3X +Y =Z X +0. 5Y =R Y =2；X =2
Na 2O 。2S i O 2
Z =4; R =2. 5
X +Y =Z X +0. 5Y =R Y =3；X =1
Y 值
S i O 2＞Na 2O 。2S i O 2＞Na 2O 。S i O 2＞N a C l
九、试计算下列玻璃的结构参数与非桥氧分数：
（a ）Na 2O ·SiO 2；（b ）Na 2O ·CaO ·Al 2O 3·2SiO 2；（c ）Na 2O ·1/3Al2O 3·2SiO 2；（d ）10mol ％Na 2O ·18mol%CaO·72mol ％SiO 2；（e ）13wt ％Na 2O·13wt %CaO·74wt ％SiO 2。 （a ）N a 2O ∙S i O 2 （d ）
3
Z =4; R ==3
1
0. 5Y =Z -R =1Y =2；X =2
（b)
Na 2O ∙CaO ∙Al 2O 3∙2SiO 2
Na 2O ∙CaO
=2＞1；即网络形成体
Al 2O 31+1+3+4
=2. 25
2+2
0. 5Y =Z -R =1. 75Y =3. 5；X =0. 5Z =4; R =
Na O ∙1/3AlO ∙2SiO
(C) Na O 1
2
2
3
2
2
Al 2O 3
=
1/3
＞3；即网络形成体
Z =4; R =
1+1+4
=2. 252+20. 5Y =Z -R =1. 75
Y =3. 5；X =0. 5
10mol ％Na 2O ∙18mol%CaO∙72mol ％SiO210+18+72⨯2
=2. 39
72
0. 5Y =Z -R =1. 61Z =4; R =Y =3. 2；X =0. 8
（e ）
13wt ％Na 2O ∙13wt%CaO∙74wt ％SiO 2M ；M ；M （Na 2O ）=62（CaO ）=56（SiO 2）=60n ；n ；n （Na 2O ）=0.21（CaO ）=0.23（SiO 2）=1.23
mol%；mol%；mol%（Na 2O ）=12.6%（CaO ）=13.8%（SiO 2）=73.7%12.6%Na∙73.7%SiO22O ∙13.8%CaO12.6+13.8+73.7⨯2
=2.36
73.7
0. 5Y =Z -R =1.64Z =4; R =
Y =3. 28；X =0.72
非桥氧分数A=X/（X+0.5Y）;Aa=67%；Ab=22%;Ac=22%;Ad=33%;Ae=31%
试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？
8wt ％Na 2O ∙12wt%Al2O 3∙80wt ％SiO 2M ；M ；M （Na 2O ）=62（Al 2O 3）=102（SiO 2）=60n ；n ；n （Na 2O ）=0.129（Al 2O 3）=0.118（SiO 2）=1.33
mol%；mol%；mol%（Na O ）=8.2%（CaO ）=7.5%（SiO ）=84.3%12wt ％Na 2O ∙8wt%Al2O 3∙80wt ％SiO 2M ；M ；M （Na 2O ）=62（Al 2O 3）=102（SiO 2）=60n ；n ；n （Na 2O ）=0.194（Al 2O 3）=0.078（SiO 2）=1.33
mol%（Na 2O ）=12. 1%；mol%（CaO ）=4. 9%；mol%（SiO 2）=83%228.2%Na2O ∙7.5%Al2O 3∙84.3%SiO2Na 2O Al =8.2
＞1；即网络形成体
2O 37.5
Z =4; R =
8. 2+7. 5⨯3+84.3⨯2
7.2⨯2+84.3
=2. 02
0. 5Y =Z -R =1. 98Y =3. 96；X =0.04
12. 1%Na2O ∙4. 9%Al2O 3∙83%SiO2Na 2O Al =12.1
＞1；即网络形成体
2O 34.9Z =4; R =
12. 1+4. 9⨯3+83⨯2
4. 9⨯2+83
=2. 08
0. 5Y =Z -R =1. 92Y =3. 84；X =0. 16Y 越大，则粘度越大，即1粘度大
第4章 非晶态结构与性质
一、名词解释 1．熔体与玻璃体：
熔体即具有高熔点的物质的液体。 熔体快速冷却形成玻璃体。 2．聚合与解聚：
聚合：各种低聚物相互作用形成高聚物 解聚：高聚物分化成各种低聚物 3．晶子学说与无规则网络学说：
晶子学说（有序、对称、具有周期性的网络结构）： 1硅酸盐玻璃中含有无数的晶子 2晶子的互相组成取决于玻璃的化学组成
3晶子不同于一般微晶，而是带有晶体变形的有序区域，在晶子中心质点排列较有规律，远离中心则变形程度增大 4晶子分散于无定形物质中，两者没有明显界面
无规则网络学说（无序不对称不具有周期性的网络结构） 1形成玻璃态的物质与晶体结构相类似，形成三维的空间网格结构 2这种网络是离子多面体通过氧桥相连进而向三维空间规则 4．网络形成体与网络变性体：
网络形成体：能够单独形成玻璃的氧化物 网络变性体：不能单独形成玻璃的氧化物 5．桥氧与非桥氧：
桥氧：玻璃网络中作为两个成网多面体所共有顶角的氧 非桥氧：玻璃网络中只与一个成网多面体相连的氧
二、填空与选择
1. 玻璃的通性为：各向同性、介稳性、由熔融态向玻璃态转化是可逆与渐变的，无固定熔点、
由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度的变化连续性和物理化学性质随成分变化的连续性。
2．氧化物的键强是形成玻璃的重要条件。根据单键强度的大小可把氧化物中的正离子分为三类：网络形成体、网络中间体和网络改变体；其单键强度数值范围分别为单键强度＞335KJ/mol、单键强度介于250~335KJ/mol和单键强度＜250~335KJ/mol。
3．聚合物的形成可分为三个阶段，初期：石英颗粒的分化；中期：缩聚与变形；后期：在一定时间内分化与缩聚达到平衡。
4．熔体结构的特点是：近程有序、远程无序。
5．熔体是物质在液相温度以上存在的一种高能量状态，在冷却的过程中可以出现结晶化、玻璃化和分相三种不同的相变过程。
6．在玻璃性质随温度变化的曲线上有二个特征温度Tg （脆性温度）和Tf （软化温度），与这二个特征温度相对应的粘度分别为10Pa ·s 和10Pa ·s 。 7．在SiO 2玻璃中加入Na 2O 后，析晶能力将A ，玻璃形成能力将B 。 （A 增强 B减弱 C不变 ）（在熔点粘度越大，越不容易析晶，容易形成玻璃）
8．能单独形成玻璃的氧化物（网络形成体），其单键强度为B ；不能单独形成玻璃的氧化物（网络变性体），其单键强度为A 。（A 小于250KJ/mol；B 大于335KJ/mol；C 250～335KJ/mol ）
9．当温度不变时，硅酸盐熔体中的聚合物种类、数量与熔体组成（O/Si比）有关。O/Si比值大，表示碱性氧化物含量高，这时熔体中的B 。（A 高聚体数量增多；B 高聚体数量减少；C 高聚体数量多于低聚体；D 高聚体数量少于低聚体 ）
10．按照在形成氧化物玻璃中的作用，下列氧化物网络变体（单键强度＜250）有Na 2O 、CaO 、K 2O 、BaO ，中间体有Al 2O 3，网络形成体（单键强度＞335）有：SiO 2、B 2O 3、P 2O 5。（SiO 2、Na 2O 、B 2O 3、CaO 、Al 2O 3、P 2O 5、K 2O 、BaO ） 三、简述硅酸盐熔体聚合物结构形成的过程和结构特点。 初期：主要是石英（或硅酸盐）的分化； 中期：缩聚反应并伴随聚合物的变形；
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后期：在一定温度（高温）和一定时间（足够长） 下达到缩聚、分化平衡。
结构特点：近程有序，远程无序
四、试用实验方法鉴别晶体SiO 2、SiO 2玻璃、硅胶和SiO 2熔体。它们的结构有什么不同？
可以通过X 射线衍射的方法鉴别 晶体SiO 2衍射强度时强时弱
SiO 2玻璃和SiO 2熔体呈现宽阔的衍射峰，而熔体的强度较玻璃强 硅胶：具有小角度散射的衍射峰
五、在SiO 2熔体中，随Na 2O 加入量的不同，粘度将如何变化，为什么？ CaO、MgO 、Al 2O 3、B 2O 3与SiO 2对熔体的粘度又有何影响，为什么？
1、随着Na 2O 的增加；在Na 2O 含量少的时候，提供游离氧使硅氧比上升，粘度下降，由于离子半径小，反极化作用强，下降速率快；在Na 2O 含量多的时候，提供游离氧使硅氧比上升，
粘度下降，由于O 含量高，离子半径小的具有较大的作用力矩，下降速率慢；
2、对于MgO ；即为RO ；能够提供O ，使硅氧比上升，粘度下降，由于离子势较大，使粘度上升，但上升量不及下降量，故MgO 能使粘度下降，但并非为迅速下降
3、、B 2O 3在含量低的时候增加含量，粘度上升，原因在于形成了[BO4]；含量较高的时候，增加含量，粘度下降，原因在于形成[BO3]。 4、加入SiO 2使硅氧比下降，粘度上升。
5、加入CaO ，低温增加粘度，高温时含量＞10~12%增加粘度，＜10~12时降低粘度
6、Al 2O 3能够使粘度上升
六、一种熔体在1300℃的粘度是3100dPa ·s ，在800℃是10dPa ·s ，在
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1050℃时其粘度为多少？在此温度下急冷能否形成玻璃？
B
lg η=A +
T
B B
；lg108=A +
1573.151073.15B B
3.5=A +；8=A +
1573.151073.15
4.5=3⨯10-4B ；B =15000; A =-6
15000
lg η=-6+
1323. 15
η=218776P a.S lg3100=A +
η介于103~107可以形成玻璃
七、简述晶子学说与无规则网络学说的主要内容，并比较两种学说在解释玻璃结构上的相同点和不同点。 晶子学说（有序对称有周期性重复结构） 1）硅酸盐玻璃中存在无数“晶子”；
2）“晶子”的化学性质取决于玻璃的化学组成；
3）“晶子”不同于一般微晶，而是带有晶格变形的有序区域，在“晶子”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大； 4）“晶子”分散在无定形介质中，两者无明显界线，逐渐过渡 无规则网络学说（无序不对称无周期性重复结构）
(1)形成玻璃态的物质与相应的晶体结构类似，形成连续的三维空间网络结构；
(2)这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向三维空间无规律的发展而构筑起来的；
相同点：玻璃的结构是近程有序、远程无序的。
八、根据玻璃形成条件，对下列几种物质形成玻璃的难易程度进行排序，并说明理由。SiO 2、Na 2O·SiO2、Na 2O·2SiO2、NaCl X:非桥氧 Y：桥氧 Z：配位数 R：硅氧比
S i O 2
Z =4; R =2X +Y =Z X +0. 5Y =R Y =4；X =0
Na 2O ·S i O 2Z =4; R =3X +Y =Z X +0. 5Y =R Y =2；X =2
Na 2O 。2S i O 2
Z =4; R =2. 5
X +Y =Z X +0. 5Y =R Y =3；X =1
Y 值
S i O 2＞Na 2O 。2S i O 2＞Na 2O 。S i O 2＞N a C l
九、试计算下列玻璃的结构参数与非桥氧分数：
（a ）Na 2O ·SiO 2；（b ）Na 2O ·CaO ·Al 2O 3·2SiO 2；（c ）Na 2O ·1/3Al2O 3·2SiO 2；（d ）10mol ％Na 2O ·18mol%CaO·72mol ％SiO 2；（e ）13wt ％Na 2O·13wt %CaO·74wt ％SiO 2。 （a ）N a 2O ∙S i O 2 （d ）
3
Z =4; R ==3
1
0. 5Y =Z -R =1Y =2；X =2
（b)
Na 2O ∙CaO ∙Al 2O 3∙2SiO 2
Na 2O ∙CaO
=2＞1；即网络形成体
Al 2O 31+1+3+4
=2. 25
2+2
0. 5Y =Z -R =1. 75Y =3. 5；X =0. 5Z =4; R =
Na O ∙1/3AlO ∙2SiO
(C) Na O 1
2
2
3
2
2
Al 2O 3
=
1/3
＞3；即网络形成体
Z =4; R =
1+1+4
=2. 252+20. 5Y =Z -R =1. 75
Y =3. 5；X =0. 5
10mol ％Na 2O ∙18mol%CaO∙72mol ％SiO210+18+72⨯2
=2. 39
72
0. 5Y =Z -R =1. 61Z =4; R =Y =3. 2；X =0. 8
（e ）
13wt ％Na 2O ∙13wt%CaO∙74wt ％SiO 2M ；M ；M （Na 2O ）=62（CaO ）=56（SiO 2）=60n ；n ；n （Na 2O ）=0.21（CaO ）=0.23（SiO 2）=1.23
mol%；mol%；mol%（Na 2O ）=12.6%（CaO ）=13.8%（SiO 2）=73.7%12.6%Na∙73.7%SiO22O ∙13.8%CaO12.6+13.8+73.7⨯2
=2.36
73.7
0. 5Y =Z -R =1.64Z =4; R =
Y =3. 28；X =0.72
非桥氧分数A=X/（X+0.5Y）;Aa=67%；Ab=22%;Ac=22%;Ad=33%;Ae=31%
试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？
8wt ％Na 2O ∙12wt%Al2O 3∙80wt ％SiO 2M ；M ；M （Na 2O ）=62（Al 2O 3）=102（SiO 2）=60n ；n ；n （Na 2O ）=0.129（Al 2O 3）=0.118（SiO 2）=1.33
mol%；mol%；mol%（Na O ）=8.2%（CaO ）=7.5%（SiO ）=84.3%12wt ％Na 2O ∙8wt%Al2O 3∙80wt ％SiO 2M ；M ；M （Na 2O ）=62（Al 2O 3）=102（SiO 2）=60n ；n ；n （Na 2O ）=0.194（Al 2O 3）=0.078（SiO 2）=1.33
mol%（Na 2O ）=12. 1%；mol%（CaO ）=4. 9%；mol%（SiO 2）=83%228.2%Na2O ∙7.5%Al2O 3∙84.3%SiO2Na 2O Al =8.2
＞1；即网络形成体
2O 37.5
Z =4; R =
8. 2+7. 5⨯3+84.3⨯2
7.2⨯2+84.3
=2. 02
0. 5Y =Z -R =1. 98Y =3. 96；X =0.04
12. 1%Na2O ∙4. 9%Al2O 3∙83%SiO2Na 2O Al =12.1
＞1；即网络形成体
2O 34.9Z =4; R =
12. 1+4. 9⨯3+83⨯2
4. 9⨯2+83
=2. 08
0. 5Y =Z -R =1. 92Y =3. 84；X =0. 16Y 越大，则粘度越大，即1粘度大