ガラスと非晶質材料
SiO₂ガラスにNa₂Oを加えると、ガラスの構造と性質はどう変わるか。
- ANa⁺がSi⁴⁺の代わりにSiO₄四面体の中心に入って網目を強めるので、粘度と軟化する温度が上がる
- BSi-O-Siの橋かけが切れて非架橋酸素ができ、網目のつながりが弱まるので、粘度とガラス転移温度が下がり、熱膨張は大きくなる
- CNa₂Oは網目に影響しないので粘度は変わらず、化学的な耐久性だけが上がる
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正解：B. Si-O-Siの橋かけが切れて非架橋酸素ができ、網目のつながりが弱まるので、粘度とガラス転移温度が下がり、熱膨張は大きくなる
Na₂Oが1個入ると、Si-O-Si の橋かけ酸素1個が切れて、Siと1本だけ結合する非架橋酸素が2個でき、Na⁺は網目のすき間に入って電荷を補います。網目のつながりが弱まるので粘度やガラス転移温度が下がり、石英ガラスでは約2000℃の高温が必要な成形が、ずっと低い温度でできるようになります。そのかわりに線膨張係数は大きくなり、Na⁺が水中の水素イオンと交換しやすいので化学的な耐久性は下がります。ソーダ石灰ガラスでCaOを加えるのは、この耐久性を補うためです。Na⁺はイオン半径が大きく電荷が小さいので、四面体の中心には入りません。