On the mechanism of diffusion of water in silica glass

Abstract

Diffusion of water into silica glass has been studied at low temperatures. Hydrothermal treatments were made with water of normal isotopic composition and water enriched in ¹⁸O. Hydrogen and ¹⁸O concentration profiles were measured employing nuclear reaction analysis. After short-term treatments (5 to 20 h) at temperatures between 100 and 200°C, the concentration ratio [¹⁸O]/[H] was found to be 0.5. This allows the conclusion that water molecules are the diffusing species. Diffusion coefficients deduced from the profiles are D ≈ 3 ∙ 10^-13 cm²/s at 200°C and D ≈ 6 ∙ 10^-15 cm²/s at 100 °C; the corresponding activation energy is about 58 kJ/mol. The near-surface concentration of hydrogen and ¹⁸O increased with treatment time and temperature, indicating a nonequilibrium state. After long-term treatments (6 to 20 d) at 200 °C, the near-surface concentration of hydrogen was found to have a nearly constant value of 7 ∙ 10²⁰ atoms/cm^3, and [¹⁸O]/[H] ratios up to 1.7 were observed. It was concluded that an equilibrium or near-equilibrium state with regard to the concentrations of H₂O molecules and SiOH groups had been reached, the SiOH groups being formed by (reversible) reactions of H₂O molecules with the SiO₂ network. These findings are discussed in the framework of the diffusion model of Doremus.

Die Diffusion von Wasser in Kieselglas wurde bei tiefen Temperaturen untersucht. Die Hydrothermalbehandlung erfolgte mit Wasser normaler Isotopenzusammensetzung und mit an ¹⁸O angereichertem Wasser. Wasserstoff- und ¹⁸O-Konzentrationsprofile wurden durch Kernreaktionsanalyse bestimmt. Nach Kurzzeitbehandlung (5 bis 20 h) bei Temperaturen zwischen 100 und 200 °C wurde ein Konzentrationsverhältnis [¹⁸O]/[H] von 0,5 gefunden. Dies läßt darauf schließen, daß Wassermoleküle die diffundierende Spezies sind. Die aus den Profilen hergeleiteten Diffusionskoeffizienten sind D ≈ 3 • 10^-13 cm²/s bei 200°C und D ≈ 6 • 10^-15 cm²/s bei 100 °C; die entsprechende Aktivierungsenergie beträgt etwa 58 kJ/mol. Die Konzentrationen von Wasserstoff nahe der Oberfläche stiegen mit Behandlungszeit und -temperatur an, was auf einen Nichtgleichgewichtszustand hinweist. Nach Langzeitbehandlung (6 bis 20 d) bei 200 °C wurden eine nahezu konstante Wasserstoffkonzentration nahe der Oberfläche von 7 • 10²⁰ Atome/cm³ und [¹⁸O]/[H]-Verhältnisse bis zu 1,7 gefunden. Daraus wurde geschlossen, daß ein Gleichgewichts- oder Fastgleichgewichtszustand bezüglich der Konzentrationen von H₂O-Molekülen und SiOH-Gruppen erreicht worden war, wobei die SiOH-Gruppen durch (reversible) Reaktionen von H₂O-Molekülen mit dem SiO₂-Netzwerk entstehen. Diese Beobachtungen werden i m Rahmen des Diffusionsmodells von Doremus diskutiert.