Self-diffusion of oxygen in soda-lime silicate glass

Abstract

The seif-diffusion coefficients of oxygen in 16 Na₂O * 12 CaO * 72 SiO₂ glass were measured in the temperature range from 500 to 1470 °C by means of an isotope exchange technique employing 180 as the tracer. The results in the temperature range over 800 °C were represented by D = 4,510¯² exp ( - 38,610³/RT). This activation energy for diffusion was in good agreement with that for viscous flow of the glass. The relationship between the oxygen self-diffusion coefficient and the viscosity was satisfactorily described by Eyring's equation rather than the Stokes-Einstein relation. The measured oxygen self-diffusion coefficients also showed agreements with the diffusion coefficients calculated from an interdiffusion kinetics and from the dissolution rate of a quartz glass in the glass melt, which indicated that these processes were governed by the diffusion of oxygen ions. The steep temperature dependence of the oxygen self-diffusion coefficient which was determined in the transition range was explained to be due to an excess structural activation energy required for migration of oxygen ions. Autodiffusion de l'oxygne dans un verre silico-sodo-calcique Les coefficients d'autodiffusion de l'oxygène dans le verre 16 Na₂O * 12 CaO * 72 SiO₂ sont mesurés dans le domaine de températures compris entre 500 et 1470 °C par une technique d'échange d'isotopes utilisant 180 comme traceur. Les résultats obtenus dans le domaine des tempéra-tures supérieures à 800 °C sont représentés par D = 4,510¯² exp ( - 38,610³/RT). Cette énergie d'activation de la diffusion est en bon accord avec celle qui correspond à l'écoulement visqueux du verre. La relation entre le coefficient d'autodiffusion de l'oxygène et la viscosité est décrite de manière plus satisfaisante par l'équation d'Eyring que par la relation de Stokes-Einstein. Les coefficients d'autodiffusion de l'oxygène mesurés concordent également avec les coefficients de diffusion calculés à partir de la cinétique d'interdiffusion et de la vitesse de dissolution d'un verre de quartz dans la fonte de verre, ce qui indique que ces processus sont contrôlés par la diffusion des ions oxygène. On explique que la forte pente de la courbe du coefficient d'autodiffusion de l'oxygène en fonction de la température, déterminé dans le domaine de transition, est due à un excès d'énergie d'activation de la structure requise pour la migration des ions oxygène. Selbstdiffusion von Sauerstoff in Kalk-Natronsilicatglas Die Selbstdiffusionskoeffizienten von Sauerstoff in 16 Na₂O * 12 CaO * 72 SiO₂-Glas wurden im Temperaturbereich von 500 bis 1470 °C mit dem Isotopenaustauschverfahren bestimmt, wobei ¹⁸O als Tracer verwendet wurde. Die Ergebnisse im Temperaturbereich über 800 °C lassen sich durch die Gleichung D = 4,5.10-2 exp ( - 38,6*10³/RT) darstellen. Die ermittelte Aktivierungsenergie für die Diffusion stimmt gut mit der für das viskose Fließen des Glases überein. Der Zusammenhang zwischen dem Selbst-diffusionskoeffizienten des Sauerstoffs und der Viskosität wird durch die Eyringsche Beziehung besser beschrieben als mit der Stokes-Einsteinschen Gleichung. Die gemessenen Sauerstoff Selbstdiffusionskoeffizienten stimmen auch mit den Diffusionskoeffizienten überein, die über die Interdiffusionskinetik und die Auflösungsgeschwindigkeit von Kieselglas in der Glasschmelze berechnet wurden;. das deutet darauf hin, daß diese Vorgänge von der Diffusion des Sauerstoffions bestimmt werden. Die starke Temperaturabhängigkeit des Sauerstoff-Selbstdiffusionskoeffizienten im Übergangsbereich wird darauf zurückgeführt, daß ein Überschuß an struktureller Aktivierungsenergie für die Wanderung der Sauerstoffionen erforderlich ist.