Materiali per l'ottica: proprietà e composizione del vetro

Docente

prof. Armida Sodo

Come Raggiungermi

• e-mail: armida.sodo@uniroma3.it
• stanza: n. 148,Dipartimento di Scienze, Via della Vasca Navale 84Il vetro è un materiale solido non cristallino, che si forma quando un materiale viscoso opportuno viene solidificato rapidamente, in modo tale che non abbia il tempo di formare una regolare struttura cristallina. Il risultato e la formazione di un solido amorfo, privo di ordine a lungo raggio.

Allo stato fuso ed in prossimità del punto di solidificazione e dotato di altissima viscosita. Se raffreddato abbastanza velocemente non ha il tempo di cristallizzare secondo percorsi geometrici definiti. Gli atomi che lo compongono non hanno infatti la mobilita sufficiente per realizzare quegli spostamenti relativi, necessari al raggiungimento di una configurazione cristallina, e danno così origine ad uno stato metastabile intermedio detto stato vetroso.

La viscosita e probabilmente la più importante proprieta di un vetro. La stessa formazione dello stato vetroso dipende dal fatto di possedere una certa viscosita ad una determinata temperatura, così come la capacita di dare forma ad una massa vetrosa e di poterla lavorare convenientemente dipendono esclusivamente dalla viscosita e dalla temperatura in quel momento.

VI RICORDO CHE

La viscosita dinamica e una grandezza che descrive la resistenza opposta da un fluido allo scorrimento sotto l'azione di una forza e varia in un intervallo molto ampio in funzione della temperatura. Nei liquidi la viscosita decresce all'aumentare della temperatura, nei gas invece cresce. La sua unita di misura e il poise.Transizione solido-liquido

FUSIONE

energia solido cristallino solido vetroso , $ 1 1 I - $ temperatura 6Vetro comune

Il vetro comune e costituito quasi esclusivamente da biossido di silicio (SiO2) (silice, lo stesso componente del quarzo) e dalla sua forma policristallina, la sabbia. In forma pura, la silice ha un punto di fusione di circa 2000℃ ma spesso durante la produzione del vetro vengono aggiunte altre sostanze per abbassare questa temperatura. Una di queste e il carbonato di sodio Na2CO3 (soda) oppure il carbonato di potassio K2CO3 (potassa) che abbassano il punto di fusione a circa 1000℃. La presenza di soda rende il vetro solubile in acqua (caratteristica certo non desiderabile), per cui viene aggiunto anche ossido di calcio CaO (calce) per ripristinare l'insolubilita.Vetro ottico

Molto utilizzato in ottica, questo vetro deve presentare alti valori di isotropia (medesimo indice di rifrazione in tutte le direzioni), essere trasparente, inalterabile, omogeneo, capace di subire lavorazione a freddo fino al perfetto pulimento. Devono inoltre essere assenti difetti come bolle o strie e il vetro deve essere privo di tensioni interne. Le sue proprieta ottiche sono definite dall'indice di rifrazione e dalla variazione dello stesso in funzione della differente lunghezza d'onda dei raggi luminosi (dispersione).Prima di studiare in dettaglio il vetro di silice, vediamo quali sono le caratteristiche del suo elemento principale, il Si, e quali i composti che può formare

Caratteristiche del silicio

Per il silicio la possibilità di formare lunghe catene ···- Si-Si-Si -... è molto bassa perché l'energia del legame Si-Si 220 kJ/mol è inferiore dei valori medi di energia di altri legami Si-X, infatti, l'alto valore di energia di legame Si -O pari a 360 kJ/ mol, e il fatto che l'ossigeno possa dare due legami covalenti fanno si che si possano formare grandi catene stabili di: │ │ │ -Si-O- Si-O- │ Questa catena si trova in gran parte dei composti del silicio.La silice

Il diossido di silicio SiO2 è comunemente chiamato silice e questo è un particolare silicato in cui non vi sono elementi diversi dalla coppia silicio-ossigeno. Questo composto può essere ottenuto tramite la reazione di idrolisi del SiF4 e la reazione è la seguente: 3SiF4+2H2O->2H2SiF(+SiO24 La silice

Nella silice cristallina ogni atomo di silicio è legato tetraedricamente a quattro atomi di ossigeno ed ogni atomo di ossigeno è legato a due atomi di silicio O Si O OTipi di silice :

la silice in natura si presenta in due forme cristalline

Quarzo

Ha una struttura ! formata da fasci di tetraedri (SiO4) disposti ad elica, gli atomi di O sono collegati a ponte tra 2 atomi di Si e la struttura non è ionica.

Cristobalite

ha una struttura simile a quella del diamante. Questa si ottiene riscaldando il quarzo fino ad una temperatura compresa tra i 900°℃ e i 1400℃, questa fonde a circa 1710°C.Tipi di silice

P liquid glass B-cristo balite a-cristo- de B-tridymite balite -1 B-quartz a-tridymite - 2 a-quartz 117 163 573 870 1470 1610 1713 T /°C Raffreddando molto velocemente la silice fusa otteniamo una silice vetrosa chiamata impropriamente quarzo, questa viene utilizzata grazie alla sua elevata inerzia chimica e per il suo basso coefficiente di dilatazione per la fabbricazione di vetreria da laboratorio.I silicati

I silicati sono composti formati da Si ed O che contengono, però, vari altri elementi in forma ionica come Al,Mg,Fe. L'elemento fondamentale per la formazione di un silicato è il tetraedro SiO44, in cui i 4 atomi di ossigeno sono disposti ai vertici di un tetraedro e circondano l'atomo centrale di Si. Il legame formato tra questi è al 50% ionico e al 50% covalente. · ossigeno o x elettrone mancante O elettrone dell'ossigeno O O Xossigeno ossigeno silicio - · elettrone del silicio -0-Si-O- Q ossigeno 0 SiTipi di silicati

La parte anionica dei silicati è formata da grandi anioni che possono essere lineari, ciclici o a pavimento costituiti da tetraedri uniti tra di loro e in base a questi tipi di legame i silicati si possono dividere in varie categorie:

Nesosilicati

questi hanno un gruppo base SiO,4 e tutti i tetraedri sono isolati tra di loro, per questo ogni tetraedro è legato agli altri non direttamente ma tramite degli atomi come Fe, Al che si comportano da ponte tra vertici dei tetraedri. A questa categoria appartengono le Olivine (Mg,Fe)2SiO4 Il rapporto Si:O è di 1:4.Inosilicati: questi si dividono in 2 categoria:

• Pirosseni; le molecole sono costituite da catene lineari di tetraedri e ciascun tetraedro ha 2 vertici in comune con quelli adiacenti,il Rapporto Si:O è di 1:3, in generale sono scuri e densi e ricchi di ferro.
• Anfiboli; le molecole sono formate da catene lineari doppie e il rapporto Si:O è pari a 1 : 2,75. Entrambi sono uniti tra di loro da atomi metallici che fanno da ponte tra le estremità libere delle catene adiacenti ed entrambi si sfaldano nella direzione della catena.Sorosilicati: sono silicati con catene cicliche formate da 3, 4 o ( tetraedri. Ogni O costituisce un vertice in comune tra due tetraedr e gli atomi metallici fanno da ponte con gli altri tetraedri. I rapporto Si:O è basso e vale 1:3,5 , di questa categoria fa parte l emimorfite.

A B C Fig. 3.8 - Anelli di 3 tetraedri Si3Og (A), di 6 tetraedri SigO18 (B) e di 4 tetraedri Si4O12 (C).. Fillosilicati;

sono silicati in cui i tetraedri mettono in comune i 3 vertici complanari, il rapporto Si:O è di 1:2,5. Questi si presentano come grossi cristalli esagonali e si sfaldano facilmente in piani paralleli. Gli atomi di O liberi si legano con atomi metallici come Mg e Al. Di questa categoria fanno parte i materiali argillosi e la Mica questa può essere scura (Biotite) o chiara (Muscovite).E poi c'è .... IL VETRO

Ricorda: Il vetro e un solido che non possiede ordine atomico a lungo raggio e che, al riscaldamento, rammollisce progressivamente fino a giungere allo stato fuso.

VETRO DI SILICE

Formula chimica: SiO2 Nella struttura solida : Si è circondato in media da 4 atomi di O, tetraedro

Struttura del vetro

vetro di silice ordine solo a corto raggio 0 0 Si O Si O Distanza Si-O= 1.6Å quarzo / cristobalite ordine a corto e lungo raggio - cristalloI vetri sono caratterizzati da due aspetti:

• strutturale: non hanno ordine a lungo raggio (Long Range Order, LRO)
• dinamico: nella trasformazione da liquido a vetro, cessa la capacita della struttura di rilassarsi (=scorrelarsi) completamente; la diffusione si arresta e la viscosita tende all'infinito -. Gas Intensity Liquid Intensity Glass Intensity . Crystal Intensity 0 angle diffrazione prodotta da una sostanza monoatomica in diversi stati u Proprieta strutturali e dinamiche sono collegate