Theo bản chất hóa, thì tính chất và cấu trúc của thủy tinh rất đa dạng. Có rất nhiều thuyết khác nhau nói về cấu trúc của thủy tinh, nhưng “thuyết cấu trúc tinh thể” của A.A.Lebedev và “thuyết cấu trúc vô định hình liên tục” của Zakhariasen là được chấp nhận rộng rãi nhất.
4.3.1 Giả thuyết Zachariasen – Worren:
Các nguyên tử ở trạng thái thủy tinh hay tinh thể đều tạo thành từ những mạng 3 chiều liên tục. Nhưng trong thủy tinh các nguyên tử sắp xếp không đối xứng và không tuần hoàn (không lặp lại cấu trúc) nên nội năng cao hơn.
Worren phát triển thêm khi đưa ra khái niệm về cấu trúc của các loại thủy tinh hai và ba cấu tử.
Theo đó, cấu trúc khung cũng với đơn vị cơ bản là SiO44- nhưng không theo một đối xứng nào cả. Các ion Na+, Ca2+ nằm ở khoảng giữa những tứ diện này một cách ngẫu nhiên. Tóm lại những khác biệt giữa cấu trúc thủy tinh và tinh thể như sau:
-Trong tinh thể khung [SiO4] được xây dựng theo quy luật đối xứng chặt chẽ, còn trong thủy tinh thì không.
-Trong tinh thể, các ion kim loại sẽ chiếm vị trí xác định trong mạng, còn trong thủy tinh chúng phân bố ngẫu nhiên.
-Trong tinh thể ngoại trừ pha tinh thể có thành phần thay đổi, các cấu tử ban đầu có thành phần mol tỉ lệ với nhau theo những số đơn giản; còn trong thủy tinh các oxit có thể hòa hợp với nhau theo bất kỳ tỉ lệ nào.
Tinh thể Thủy tinh Cấu trúc thủy tinh natri
silicat
Hình 4.2. Mạng lưới cấu trúc 4.3.2 Thuyết cấu trúc tinh thể:
Năm 1921 ông đưa ra giả thiết rằng thủy tinh silicat là hợp thể của các tinh thể có độ phân tán lớn, trong đó đa số là tinh thể thạch anh.
Sự biến đổi tính chất bất thường của thủy tinh xảy ra ở khoảng 450-6000C có liên quan đên sự biến đổi của thạch anh từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác (dạngα sang dạngβ). Ðây là đặc trưng vốn có cho thủy tinh có thành phần bất kỳ và có liên hệ với sự bắt đầu hóa mềm của thủy tinh.
Các thí nghiệm đầu tiên đưa ra và bảo vệ quan điểm về cấu tạo tinh thể của thủy tinh đã không được chấp nhận, nhưng sau này khi có sự kết hợp của tia rơnghen và các phương pháp phân tích khác đã nhận được các luận cứ thực nghiệm mới của giả thuyết tinh thể.
Thủy tinh silicat có cấu trúc vi tinh thể, tức tạo thành từ vô số tinh thể nhỏ đến nỗi chúng gần như có tính đồng nhất quang học và chỉ thể hiện bản chất tinh thể trong rất ít trường hợp. Giả thuyết xuất phát từ việc nghiên cứu sự thay đổi chỉ số khúc xạ của thủy tinh theo nhiệt độ. Nhiệt độ tăng, n (chỉ số khúc xạ) tăng mang dấu (-).
Lý thuyết vi tinh thể: thủy tinh là tập hợp các vi cấu trúc có các nguyên tử được sắp xếp trật tự. Phần trung tâm của vi tinh thể được đặc trưng bởi sự phân bố có trật tự các nguyên tử, còn vùng ngoại vi là sự chuyển tiếp từ vi cấu trúc này sang vi cấu trúc khác. Giữa các vi tinh thể không có bề mặt phân cách pha.
Cả hai giả thuyết phản ánh hai mặt khác của cùng một vấn đề và không giả thuyết nào giải thích thỏa đáng cấu trúc của thủy tinh.
* Có thể coi thủy tinh là 1 chất rắn vô định hình, tức là có những điểm sau:
1. Tính chất cơ học hoàn toàn đặc trưng cho chất rắn.
-Thủy tinh có trạng thái đàn hồi Hook: khi kéo, độ giãn nở tỉ lệ thuận với lực kéo.
-Có tính giòn dễ vỡ.
Độ giãn nở
2. Cấu trúc đặc trưng cho chất lỏng: không có trật tự xa, nhưng có trật tự gần.