Építõanyag, XIX. évfolyam, 1967. 7. szám, 243244.


Náray-Szabó István
Az üveg definíciója

Az üveggel foglalkozó szakemberek tudják, hogy az üveg fogalma még koránt sincs kifogástalanul meghatározva. Már pedig ez nemcsak tudományos, hanem gyakorlati (ipari és kereskedelmi, általában gazdasági) szempontból is föltétlenül szükséges.

Bár szerves anyagokon végzett vizsgálatok nagyban hozzájárultak az üveg fogalmának tiaztázásához, ma inkább csak anorganikus anyagokat tekintünk üvegnek.

Számos üveg-definíció van, melyek egyik vagy másik tulajdonságát emelik ki az üvegnek. Így Tammann [1933] azt mondja, hogy a szilárd, nem kristályos anyagok üvegállapotúak. Ekkor azonban minden amorf anyag üveg volna. Amorf arzént vagy kriatályosodás nélkül megszilárdult káliumhidrogénszulfátot (KHSO4) azonban általában nem tekintünk üvegnek. Nem kielégítô az a definíció sem, mely szerint az üveg aláhûtött és befagyott folyadék, fõleg akkor nem, ha a gyakorlati követelményeket figyelembe véve az üvegként használható anyagokat definiáljuk üvegként.

Régebben az üveg átlátszóságát tekintették legfontosabb tulajdonságának, ami mai felfogásunk szerint már nem szükséges. Viszont minden, gyakorlatilag használható üveg kellô szilárdsággal rendelkezik. Tudvalevô, hogy a valódi vagy elméleti szilárdság üvegnél, különösen a kvarcüvegnél, rendkívül nagy. Az elméleti szilárdságot, mely Náray-Szabó és Ladik [1960] szerint 2460 kp·cm2, Anderegg [1939] vékony kvarcüvegszálakon elérte és Hillig [1961] kb. 1 mm vastag kvarcüvegrudacskákon megközelítette; utóbbiak szilárdsága alacsony hõmérsékleten 1406 kp·cm2-t tett ki. Minden más, ismert szerkezeti anyag szilárdsága kisebb; legnagyobb, 400 kp·cm2, a húzott vékony volfrámdrótok szilárdsága.

Nines okunk feltenni, hogy egy túlhûtött folyadék atomjai vagy ionjai közt nagyobb vonzóerôk mûködnek, mint a kristályban. Túlhûtött víz pl. nem nagyon viszkózus. Megolvasztott sók és fémek nagy mozgékonysága és kis viszkozitása ellentmond nagy vonzóerók feltételezésének.

Ha a kationok és anionok közti kötéserôsséget tekintjük, akkor azt látjuk; hogy az üvegalkotó oxidokban kb. 80110 kcal/mól kötéserôsség és 1,35-1,78 Å anion-kation-távolság fordul elô [Sun, 1947]. Ha azonban ezeket az erôs kötéseket, amelyek a hálózatelmélet szerint a tér mindhárom irányában végighúzódnak a hálózaton, gyengébb, pl. alkáli-oxigén stb. kötések szakítják meg, akkor a szakadás ezeken a helyeken fog beállni, mert pl. a NaO kötéserôsség csak 24 kcal/mól a SiO kötés 106 kcal/mól erôsségével szemben. Lehetséges az is, hogy valamely üveget csak középerôs kötések tartanak össze, pl. ólomüvegeket a lapos trigoriális piramis alakú PbO kötések, amelyek erôssége 48 kcal/mól [Náray-Szabó és Kálmán, 1961]. Tudjuk azonban, hogy az ólomüveg különösen ha sok PbO-t tartalmaz sokkal kevésbé szilárd, mint a szilikátüvegek. Nátriummetaszilikát, Na2SiO3, melynek SiO3-láncait NaO kötések tartják ösaze, már csak igen nehezen alkot üveget, és ennek nincs említésre méltó szilárdsága.

A valódi, vagyis gyakorlatilag használható üvegek egy másik szükséges tulajdonsága a tartósság. Elüvegtelenedés az üveget használatra alkalmatlanná teszi. Ez akkor állhat be, ha az üveg kristályosodása egyrészt csiraképzôdés, másrészt kellô kristályosodási sebesség folytán belátható idôn belül végbemegy. Természetes üvegek, mint az obszidián, tufa stb. sok millió éven át vannak már üveges állapotban és tovább is így maradnak. Gyakorlati célra ezek tehát stabilisnak tekinthetôk, bár termodinamikailag inatabilisak; ez jó mûszaki üvegekre is áll.

Kriatálycsíra már eleve lehet az üvegben, pl. kristálymaradványok a kvarcüvegben. A kristályosodás hiánya azonban már magában véve is az üveg rendezetlen részecske-eloszlására mutat. A csírák nagyobbodása megköveteli erôs kötések szétszakítását, hogy újabb kötések jöhessenek létre. Az ehhez szükséges aktiválási energia azonban jó üvegeknél közönséges hômérsékleten nem áll rendelkezésre.

Rá kell mutatni még az üveg izotrópiájára ia, mely ugyancsak a részecskék rendezetlenségét tételezi fel.

Mindezek szerint tehát az üveges állapot kialakulása és fennmaradása két feltételhez van kötve; ezek
a) Nagy kötôerô az üveg atomjai vagy ionjai közt a tér mindhárom irányában,
b) Az atomok vagy ionok elrendezôdésének szabálytalansága.

Ha hiányoznak a nagy kötôerôk, mint folyadékoknál általában, akkor szabálytalan elrendezôdésnél sem keletkezik üveg a fentiek értelmében, mert a részecskék egymáshoz képest könnyen elmozdulnak, szilárdságról tehát nem beszélhetünk. Folyékony fém vagy nemesgáz még a leggyorsabb lehûtésnél sem ad amorf testet. Olyan anyagok viszont, amelyek az egész testen átmenô, erôs kötéseket tartalmaznak, mint pl. szerves polimerek, továbbá bizonyos meghatározott O/Si arányú szilikátok, alkothatnak üveget. Szálas kén, melyben erôs kötések csak egy irányban húzódnak végig, nem ad üveget. Átmenet ugyan lehetséges, három irányban átmenô vagy csak egy irányban átmenô kötésekkel bíró anyagok közt, de az üveg annál szilárdabb lesz, minél tökéletesebben valósul meg a háromdimenziós térhálósodás.

Az American Society for Testing and Materials (ASTM) ismert definíciója szerint az üveg szervetlen anyag, mely olvasztás útján keletkezett és lehûléskor kriatályosodás nélkül merevedett meg. Kvarckristályokat azonban sikerült intenzív neutronbesugárzással, megolvasztás nélkül kvarcüveggé átalakítani; hôkezeléssel az ilyen üveg ismét kristályos kvarccá alakult vissza. A megolvasztás tehát nem nélkülözhetetlen kritériuma az üvegnek.

Minden ismert üvegben, akár szervetlen, akár szerves, van egy közeli rendezõdés, az atomok vagy ionok tehát nem statisztikusan oszlanak el. A közeli rendezôdést elsôsorban a gyakran ismétlôdô, állandó távolságok idézik elô, így a SiO 1,62 Å távolsága a SiO4 tetraéderben. A SiO4 tetraéderek periódusos rendezôdése az üvegben a vegyértékirányok körüli forgás lehetôsége miatt nem jön létre. A forgás a hômozgással, az üvegek instabilitása viszont nagyobb fajlagos térfogatukkal és természetesen nagyobb szabad energiájukkal függ össze.

Fentiek alapján az üvegnek következô, új definícióját adom:

"Az üveg nemperiódusosan elhelyezkedô atomokból vagy ionokból álló hálózat, melynek részecskéit erôs, az egész hálózaton három dimenzióban átvonuló kémiai kötések tartják össze."

Ezt a definíciót egyaránt lehet szervetlen és szerves üvegekre alkalmazni.


IRODALOM
Anderegg, F. O. [1939], Ind. Eng. Chem. 31 290.
Hillig, W. B. [1961], J: Appl. Phys. 32 741.
Náray-Szabó, I.-Ladik, J. [1960], Acta Phys. Acad. Sci. Hung. 12 131.
Náray-Szabó, I. Kálmán, A. [1961], Silikattechn. 12 316.
Sun, K. H. [1947], J. Am. Ceram. Soc. 30 277.
Tammann, G. [1933], Der Glaszustand, Leipzig.


Vissza az Elõadóba http://www.kfki.hu/chemonet/ 
http://www.ch.bme.hu/chemonet/