无机材料科学基础习题与解答Word下载.docx
《无机材料科学基础习题与解答Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无机材料科学基础习题与解答Word下载.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
正离子是网络形成离子，对应氧化物能单独形成玻璃。
即凡氧化物的单键能/熔点﹥0.74kJ/mol.k者称为网络形成剂。
网络变性剂：
这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变，即单键强/熔点﹤0.125kJ/mol.k者称为网络变形剂。
5.1试述影响置换型固溶体的固溶度的条件。
解：
1.离子尺寸因素：
从晶体稳定性考虑，相互替代的离子尺寸愈相近，则固溶体愈稳定。
若以r1和r2分别代表半径大和半径小的两种离子的半径。
当它们半径差<
15%时，形成连续置换型固溶体。
若此值在15～30%时，可以形成有限置换型固溶体。
而此值>
30%时，不能形成固溶体。
2、晶体的结构类型：
形成连续固溶体的两个组分必须具有完全相同的晶体结构。
结构不同最多只能生成有限固溶体。
3、离子的电价因素：
只有离子价相同或复合替代离子价总和相同时，才可能形成连续置换型固溶体。
4、电负性因素：
电负性相近，有利于固溶体的生成。
4.2试述晶体结构中点缺陷的类型。
以通用的表示法写出晶体中各种点缺陷的表示符号。
试举例写出CaCl2中Ca2+置换KCl中K+或进入到KCl间隙中去的两种点缺陷反应表示式。
晶体结构中的点缺陷类型共分：
间隙原子、空位和杂质原子等三种。
在MX晶体中，间隙原子的表示符号为MI或XI；
空位缺陷的表示符号为：
VM或VX。
如果进入MX晶体的杂质原子是A，则其表示符号可写成：
AM或AX（取代式）以及Ai（间隙式）。
当CaCl2中Ca2+置换KCl中K+而出现点缺陷，其缺陷反应式如下：
CaCl2++2ClCl
CaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为：
CaCl2+2+2ClCl
4.3在缺陷反应方程式中，所谓位置平衡、电中性、质量平衡是指什么？
位置平衡是指在化合物MaXb中，M格点数与X格点数保持正确的比例关系，即M：
X=a：
b。
电中性是指在方程式两边应具有相同的有效电荷。
质量平衡是指方程式两边应保持物质质量的守恒。
4.4（a）在CaF2晶体中，肖特基缺陷的生成能为2.8ev，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。
（b）如果MgO晶体中，含有百万分之一mol的YF3杂质，则在1600℃时，CaF3晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？
说明原因。
因为n/N=exp（-∆Gf/2kT）
∆Gf=5.5×
1.602×
10-19=8.817×
10-19JT=1600+273=1873K
所以n/N=exp（-8.817×
10-19/2×
1.38×
10-23×
1873）=exp（-17.）=3.9×
10-8（5分）
在CaF2晶体中，含有百分之一的YF3杂质，缺陷方程如下：
此时产生的缺陷为，=10-6大于热缺陷浓度3.9×
10-8，故在1873K时杂质缺陷占优势
或）
此时产生的缺陷为，=5.5×
10-7大于热缺陷浓度3.9×
10-8，故在1873K时杂质缺陷占优势
5.6ZnO是六方晶系，a=0.3242nm，c=0.5195nm，每个晶胞中含2个ZnO分子，测得晶体密度分别为5.74，5.606g/cm3，求这两种情况下各产生什么型式的固溶体？
六方晶系的晶胞体积
V===4.73cm3
在两种密度下晶胞的重量分别为W1=d1v=5.74×
4.73×
10-23=2.72×
10-22（g）
W2=d2v=5.606×
10-23=2.65×
理论上单位晶胞重W==2.69（g）
∴密度是d1时为间隙型固溶体，是d2时为置换型固溶体。
试简述硅酸盐熔体聚合物结构形成过程和结构特点？
答：
聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位，组成大小不同的聚合体。
可分为三个阶段初期：
石英的分化；
中期：
缩聚并伴随变形；
后期：
在一定时间和一定温度下，聚合和解聚达到平衡。
产物中有低聚物、高聚物、三维晶格碎片以及游离碱、吸附物，最后得到的熔体是不同聚合度的各种聚合物的混合物，构成硅酸盐结构。
聚合物种类、大小和数量随熔体的组成和温度而变化。
4.5对某晶体的缺陷测定生成能为84KJ/mol，计算该晶体在1000K和1500K时的缺陷浓度。
根据热缺陷浓度公式：
exp（－）
由题意△G=84KJ/mol=84000J/mol
则exp（）
其中R=8.314J/mol·
K
当T1=1000K时，exp（）=exp=6.4×
10-3
当T2=1500K时，exp（）=exp=3.45×
10-2
4.8非化学计量化合物FexO中，Fe3+/Fe2+=0.1，求FexO中的空位浓度及x值。
非化学计量化合物FexO，可认为是α（mol）的Fe2O3溶入FeO中，缺陷反应式为：
Fe2O32Fe+V+3OO
α2αα
此非化学计量化合物的组成为：
FeFeO
已知：
Fe3+/Fe2+＝0.1
则：
∴α＝0.044∴x＝2α+（1－3α）＝1－α＝0.956
又：
∵[V3+]＝α＝0.044
正常格点数N＝1+x＝1+0.956＝1.956∴空位浓度为
4.9非化学计量氧化物TiO2-x的制备强烈依赖于氧分压和温度：
（a）试列出其缺陷反应式。
（b）求其缺陷浓度表达式。
非化学计量氧化物TiO2-x，其晶格缺陷属于负离子缺位而使金属离子过剩的类型。
（a）缺陷反应式为：
2TiTi?
/FONT>
O2↑→2++3OO
OO→+2e′+O2↑
（b）缺陷浓度表达式：
[V]
4.10试比较刃型位错和螺型位错的异同点。
刃型位错和螺型位错的异同点
刃型位错
螺型位错
与柏格斯矢量的位置关系
柏格斯矢量与刃性位错线垂直
柏格斯矢量与螺型位错线平行
位错分类
刃性位错有正负之分
螺形位错分为左旋和右旋
位错是否引起晶体畸变和形成应力场
引起晶体畸变和形成应力场，且离位错线越远，晶格畸变越小
位错类型
只有几个原子间距的线缺陷
5.2从化学组成、相组成考虑，试比较固溶体与化合物、机械混合物的差别。
从化学组成、相组成考虑，固溶体、化合物和机械混合物的区别列下表5-1比较之。
表5-1固溶体、化合物和机械混合物比较以AO溶质溶解在B2O3溶剂中为例）
比较项
固溶体
化合物
机械混合物
化学组成
B2-xAxO（x=0～2）
AB2O4
AO+B2O3
相组成
均匀单相
单相
两相有界面
5.3试阐明固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物三者之间的异同点。
列出简明表格比较。
固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物都属晶体结构缺陷，但它们又各有不同，现列表5-2比较之。
表5-2固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物比较
分类
形成
原因
形成条件
缺陷反应
固溶式
溶解度
热缺陷
肖特基缺陷
晶格热振动
0K以上
MX
只受温度控制
弗伦克尔缺陷
MM=
XX=
固溶体
无限置换型固溶体
掺杂溶解
<
15%，A2+电价=B2+电价，AO结构同BO，电负性相近
AO
B1-xAxO
受温度控制x=0～1
有限固溶体
间隙型
间隙离子半径小，晶体结构开放，空隙大
YF3
掺杂量<
固溶度，受温度控制
组分缺陷
30%，Ca2+电价≠Zr4+电价
2CaO
CaO
非化学计量化合物
阳离子缺位
环境中气氛性质和压力变化
变价元素氧化物在氧化气氛中
O2（g）→2Fe+V+OO
[h][PO]
阴离子间隙
O2（g）→+U（2h）
[]
阳离子间隙
变价元素氧化物在还原气氛中
ZnO+2e′+O2（g）
[]
阴离子缺位
OO→+2+O2（g）
5.4试写出少量MgO掺杂到Al2O3中和少量YF3掺杂到CaF2中的缺陷方程。
（a）判断方程的合理性。
（b）写出每一方程对应的固溶式。
3MgO2++3OO
（1）
2MgO2++2OO
（2）
YF3Y+F+2FF（3）
2YF32Y++6FF（4）
（a）书写缺陷方程首先考虑电价平衡，如方程
（1）和（4）。
在不等价置换时，3Mg2+→2Al3+；
2Y3+→3Ca2+。
这样即可写出一组缺陷方程。
其次考虑不等价离子等量置换，如方程
（2）和（3）2Mg2+→2Al3+；
Y3+→Ca2+。
这样又可写出一组缺陷方程。
在这两组方程中，从结晶化学的晶体稳定性考虑，在离子晶体中除萤石型晶体结构可以产生间隙型固溶体以外，由于离子晶体中阴离子紧密堆积，间隙阴离子或阳离子都会破坏晶体的稳定性。
因而间隙型缺陷在离子晶体中（除萤石型）较少见。
上述四个方程以
（2）和（3）较合理。
当然正确的判断必须用固溶体密度测定法来决定。
（b）
（1）
（2）（3）（4）
5.5一块金黄色的人造黄玉，化学分析结果认为，是在Al2O3中添加了0.5mol%NiO和0.02mol%Cr2O3。
试写出缺陷反应方程（置换型）及化学式。
NiO和Cr2O3固溶入Al2O3的缺陷反应为：
2NiO2++2OO
Cr2O3
固溶体分子式为：
Cr
取1mol试样为基准，则
m＝0.005；
m＝0.0002；
m＝1－0.005－0.0002＝0.9948
∵2NiO→2Al2O3
Cr2O3→Al2O3
∴取代前Al2O3所占晶格为：
0.9948＋0.005/2＋0.0002＝0.9975mol（Al2O3）
取代后各组分所占晶格分别为：
Al2O3：
mol
NiO：
Cr2O3：
∴取代后，固溶体的分子式为：
0.9973Al2O3·
0.005NiO·
0.0002Cr2O3
或Al1.9946Ni0.005Cr0.0004O2.9975
升级会员 