武汉理工大学材料科学基础课后习题答案 第二版 张联盟Word文档格式.docx
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6。
13、解：
MgS中a=5.20?
，阴离子相互接触，a=2
r-，∴rS2-=1.84?
；
CaS中a=5.67?
，阴-阳离子相互接触，a=2（r++r-），∴rCa2+=0.95?
CaO中a=4.80?
，a=2（r++r-），∴rO2-=1.40?
MgO中a=4.20?
，a=2（r++r-），∴rMg2+=0.70?
。
14、解：
LiF为NaCl型结构，z=4，V=a3，ρ=m/V=2.6g/cm3，a=4.05?
，根据离子半径a1=2（r++r-）=4.14?
，a<
a1。
15、解：
（1）如图是一个四面体空隙，O为四面体中心位置。
AO=r++r-，BC=2r-，CE=
r-，CG=2/3CE=2
r-/3，AG=2
r-/3，△OGC∽△EFC，OG/CG=EF/CF，OG=EF/CF×
CG=
r-/6，AO=AG-OG=
r/2，r+=AO-r-=（
/2-1）r=0.301?
，查表知rLi+=0.68?
>
0.301?
，∴O2-不能互相接触;
（2）体对角线=
a=4（r++r-），a=4.665?
（3）ρ=m/V=1.963g/cm3.
17、解：
rMg2+与rCa2+不同，rCa2+>
rMg2+，使CaO结构较MgO疏松，H2O易于进入，所以活泼。
18.
19.
20。
（2）四面体空隙数/O2-数=2:
1，八面体空隙数/O2-数=1:
1；
（3）（a）CN=4，z+/4×
8=2，z+=1，Na2O，Li2O；
（b）CN=6，z+/6×
6=2，z+=2，FeO，MnO；
（c）CN=4，z+/4×
4=2，z+=4，ZnS，SiC；
（d）CN=6，z+/6×
3=2，z+=4，MnO2。
21、解：
岛状；
架状；
单链；
层状（复网）；
组群（双四面体）。
22、解：
（1）有两种配位多面体，[SiO4]，[MgO6]，同层的[MgO6]八面体共棱，如59[MgO6]和49[MgO6]共棱75O2-和27O2-，不同层的[MgO6]八面体共顶，如1[MgO6]和51[MgO6]共顶是22O2-，同层的[MgO6]与[SiO4]共顶，如T[MgO6]和7[SiO4]共顶22O2-，不同层的[MgO6]与[SiO4]共棱，T[MgO6]和43[SiO4]共28O2-和28O2-；
（3）z=4；
（4）Si4+占四面体空隙=1/8，Mg2+占八面体空隙=1/2。
23、解：
透闪石双链结构，链内的Si-O键要比链5的Ca-O、Mg-O键强很多，所以很容易沿链间结合力较弱处劈裂成为纤维状；
滑石复网层结构，复网层由两个[SiO4]层和中间的水镁石层结构构成，复网层与复网层之间靠教弱的分之间作用力联系，因分子间力弱，所以易沿分子间力联系处解理成片状。
24、解：
石墨中同层C原子进行SP2杂化，形成大Π键，每一层都是六边形网状结构。
由于间隙较大，电子可在同层中运动，可以导电，层间分子间力作用，所以石墨比较软。
25、解：
（1）Al3+可与O2-形成[AlO4]5-；
Al3+与Si4+处于第二周期，性质类似，易于进入硅酸盐晶体结构中与Si4+发生同晶取代，由于鲍林规则，只能部分取代；
（2）Al3+置换Si4+是部分取代，Al3+取代Si4+时，结构单元[AlSiO4][ASiO5]，失去了电中性，有过剩的负电荷，为了保持电中性，将有一些半径较大而电荷较低的阳离子如K+、Ca2+、Ba2+进入结构中；
（3）设Al3+置换了一半的Si4+，则O2-与一个Si4+一个Al3+相连，阳离子静电键强度=3/4×
1+4/4×
1=7/4，O2-电荷数为-2，二者相差为1/4，若取代超过一半，二者相差必然>
1/4，造成结构不稳定。
晶体结构缺陷
1、解：
钠原子空位；
钠离子空位，带一个单位负电荷；
氯离子空位，带一个单位正电荷；
最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；
Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；
Ca原子位于Ca原子位置上；
Ca2+处于晶格间隙位置。
2、解：
（1）NaCl
NaCa’+ClCl+VCl·
（2）CaCl2
CaNa·
+2ClCl+VNa’
（3）O
VNa’+VCl·
（4）AgAg
VAg’+Agi·
3、解：
设有缺陷的MgO晶胞的晶胞分子数为x，晶胞体积V=（4.20）3，x=ρVN0/M=3.96,单位晶胞的肖脱基缺陷数=4-x=0.04。
4、解：
（a）根据热缺陷浓度公式n/N=exp（-E/2RT），E=6eV=6×
1.602×
10-19=9.612×
10-19J,
T=298k：
n/N=1.92×
10-51，T=1873k：
n/N=8.0×
10-9；
（b）在MgO中加入百万分之一的AL2O3，AL2O3
2ALMg·
+VMg’’+3OO，∵[AL2O3]=10-6，∴[杂质缺陷]=3×
10-6/2=1.5×
10-6，∴比较可知，杂质缺陷占优。
5、解：
n/N=exp（-E/2RT），R=8.314，T=1000k：
n/N=6.4×
10-3；
T=1500k：
n/N=3.5×
10-2。
6、解：
Fe2O3
2FeFe·
+3OO+VFe’’
y
2y
y
Fe3+2yFe2+1-3yO，
X=1-y=1-0.0435=0.9565,Fe0.9565O
[VFe’’]=
=
=2.22×
10-2
7、解：
Zn（g）
Zni·
+e’,Zn（g）+1/2O2=ZnO,Zni·
+e’+1/2O2
ZnO,[ZnO]=[e’]，
∴PO2
[Zni·
]
ρ
O2（g）
OO+VFe’’+2h
k=[OO][VFe’’][h·
]/PO21/2=4[OO][VFe’’]3/PO21/2,[VFe’’]∝PO2-1/6，
∴
PO2
[VFe’’]
8、解：
刃位错：
位错线垂直于
位错线垂直于位错运动方向；
螺位错：
位错线平行于
位错线平行于位错运动方向。
10、解：
排斥，张应力重叠，压应力重叠。
11、解：
晶界对位错运动起阻碍作用。
12、解：
不能，在大角度晶界中，原子排列接近于无序的状态，而位错之间的距离可能只有一、两个原子的大小，不适用于大角度晶界。
13、解：
（1）原子或离子尺寸的影响，△r<
15%时，可以形成连续固溶体；
△r=15%～30%时，只能形成有限型固溶体；
△r>
30%很难或不能形成固溶体；
△r愈大，固溶度愈小；
（2）晶体结构类型的影响，只有两种结构相同和△r<
15%时才是形成连续固溶体的充分必要条件；
（3）离子类型和键性，相互置换的离子类型相同，化学键性质相近，容易形成固溶体体；
（4）电价因素，不等价置换不易形成连续固溶体。
固溶体
机械混合物
化合物
形成原因
以原子尺寸“溶解”生成
粉末混合
原子间相互反映生成
相数
单相均匀
多相
化学计量
不遵守定比定律
/
遵守定比定律
化学组成
不确定
有几种混合物就有多少化学组成
确定
固溶体、晶格缺陷、非化学计量化合物都是点缺陷，是晶体结构缺陷，都是单相均匀的固体，结构同主晶相。
热缺陷——本征缺陷；
固溶体——非本征缺陷；
分类
形成条件
缺陷反应
化学式
溶解度、缺陷浓度
热缺陷
肖特基
弗伦克尔
热起伏
T>
0k
O
VM’’+Vx·
·
MM
Mi·
+VM’’
MX
只受温度控制
无限，有限，置换，间隙
搀杂
溶解
大小，电负性，电价，结构
无：
受温度控制
有：
搀杂量<
固溶度受温度控制
搀杂量>
固溶度受固溶度控制
非化学计量化合物
阳缺
阴间
阳间
阴缺
环境中气愤性质和压力变化
Fe1-xO
UO2+x
Zn1+xO
TiO2_x
[h·
]∝PO2-1/6
[Oi’’]∝PO2-1/6
]∝PO2-1/6
[VO·
设AL2O3、MgO总重量为100g，则AL2O318g，MgO82g，
溶入MgO中AL2O3的mol数：
AL2O3mol%=
=0.08=8%,MgOmol%=1-8%=92%,固溶体组成：
8%AL2O3，92%MgO，固溶体组成式：
Al0.16Mg0.92O1.16
（a）
AL2O3
+2OO+Oi’’
X
2x
x
固溶体化学式：
Al2xMg1-2xO1+x
将化学式与组成式一一对应，求出待定参数x，由于O2-的量不同，将O2-的量化为1
Al0.16/1.16Mg0.92/1.16O
Al2x/1+xMg1-2x/1+xO
x=0.074，化学式Al0.148Mg0.852O1.074
d理想
，
=1.04
（b）AL2O3
+3OO+OMg’’
x
Al2xMg1-3xO
x=
Al0.138Mg0.793O
=0.97
18、解：
Fe1-xS中存在Fe空位，VFe’’非化学计量，存在h·
P型半导体；
FeS1-x中金属离子过剩，存在S2-空位，存在e’，N型半导体；
因Fe1-xS、FeS1-x分属不同类型半导体，通过实验确定其半导体性质即可。
19、解：
（1）晶体中间隙位置是有限的，容纳杂质质点能力≤10%；
（2）间隙式固溶体的生成，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使晶格变得不稳定而离解；
置换固溶体形成是同号离子交换位置，不会对接产生影响，所以可形成连续固溶体。
20、解：
Ta—W
r大-r小/r大=4.2%<
15%
电负性：
1.5-1.7=-0.2
结构类型：
体心立方相同
形成连续固溶体
Pt—Pd
r大-r小/r大=20.7%>
电负性差=2.2-2.2=0
面心立方
形成有限固溶体
Co—Ni
r大-r小/r大=0.4%<
电负性差：
1.8-1.6=0.2
当T<
427℃，CoZn结构类型相同
可形成连续固溶体
Ti—Ta
r大-r小/r大=2.12%<
电负性差=1.5-1.5=0
当T>
883℃，TiTa结构类型相同
21、解：
（a）∵r大-r小/r大=10%<
15%，∴AL2O3和Cr2O3能形成连续固溶体；
（b）MgO—Cr2O3中，r大-r小/r大=15%，加之两者结构不同，∴固溶度是有限的。
22、解：
设非化学计量化合物为NixO，
Ni2O3
2NiNi·
+3OO+VNi’’
Ni3+2yNi2+1-3yO
Ni3+/Ni2+=2y/（1-3y）=10-x
则y=5×
10-5，x=1-y=0.99995，
Ni0.99995O
每m3中有多少载流子即为空位浓度：
[VNi’’]=y/（1+x）=2.5×
10-5。
23、解：
MgO-AL2O3：
r大-r小/r大=15%，即rMg、rAl半径相差大，MgO（NaCl型）、AL2O3（刚玉）结构类型差别大，形成有限固溶体；
PbTiO3-PbZrO3形成无限固溶体，因为尽管Ti4+、Zr4+半径相差较大（15.28）,但都是（ABO3）钙钛矿型结构，Ti4+、Zr4+都填充八面体空隙，该空隙体积较大，可填入的阳离子的半径r值可在一定范围内变化，而不至于使结构变化。
24、解：
（1）对于置换式固溶体有x=0.15，1-x=0.85，2-x=1.85，所以置换式固溶体化学式Ca0.15Zr0.85O1.85。
有因为ZrO2属于萤石结构，晶胞分子数Z=4，晶胞中有Ca2+、Zr4+、O2-三种质点。
晶胞质量
d置
=5.55g/cm3；
（2）对于间隙固溶体，其化学式Ca2yZr1-yO2，与已知组成Ca0.15Zr0.85O1.85相比，O2-不同，
Ca0.15Zr0.85O1.85
Ca0.15×
2/1.85Zr0.3/1.85O2
∴间隙式固溶体化学式Ca0.3×
2/1.85Zr1.7/1.85O2
d间=
=6.014g/cm3，由此可判断生成的是置换型固溶体。
非晶态结构与性质
1.
1、解：
石英晶体
石英熔体
Na2O•2SiO2
结构
[SiO4]按共顶方式对称有规律有序排列，
远程有序
基本结构单元[SiO4]呈架状结构，
远程无序
基本结构单元[Si6O18]12-呈六节环或八节环，
性质
固体无流动性，熔点高，硬度大，导电性差，结构稳定，化学稳定性好
有流动性，η大，电导率大，表面张力大
有流动性，η较石英熔体小，电导率大，表面张力大
根据lnη=A+B/T，727℃时，η=108P0，1156℃时，η=104P0，∴A=-5.32，B=13324，当η=107P0时，则t=80℃。
3、解：
Na2O-SiO2系统中，SiO2含量增加，η增大，σ减小；
因为SiO2含量增加，聚合离子团尺寸增大，迁移阻力增大，η增大，e/r减小，相互作用力减小，σ减小；
RO-SiO2系统中，SiO2含量增加，η增大，σ减小；
因为无SiO2时RO-O2系统η很低，表面张力大；
加入SiO2，系统中出现聚合离子团，SiO2增加，聚合离子团尺寸增大，数目增大，η增大，σ减小。
4、解：
玻璃的介稳性：
熔体转变为玻璃过程中，是快速冷却，使玻璃在低温下保留了高温时的结构状态，玻璃态是能量的介稳态，有自发放热而转变为晶体的趋势；
玻璃无固定熔点：
熔体的结晶过程中，系统必有多个相出现，有固定熔点；
熔体向玻璃体转变时，其过程是渐变的，无多个相出现，无固定的熔点，只有一个转化温度范围。
5.
在熔体结构中，不O/Si比值对应着一定的聚集负离子团结构，如当O/Si比值为2时，熔体中含有大小不等的歪扭的[SiO2]n聚集团（即石英玻璃熔体）；
随着O/Si比值的增加，硅氧负离子集团不断变小，当O/Si比值增至4时，硅-氧负离子集团全部拆散成为分立状的[SiO4]4-，这就很难形成玻璃。
7、解：
网络变体Na2OCaOK2OBaO
中间体Al2O3
网络形成体SiO2B2O3P2O5
微晶学说：
玻璃结构是一种不连续的原子集合体，即无数“晶子”分散在无定形介质中；
“晶子”的化学性质和数量取决于玻璃的化学组成，可以是独立原子团或一定组成的化合物和固溶体等微晶多相体，与该玻璃物系的相平衡有关；
“晶子”不同于一般微晶，而是带有晶格极度变形的微小有序区域，在“晶子”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大；
从“晶子”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界限。
无规则网络学说：
玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样形成连续的三维空间网络结构。
但玻璃的网络与晶体的网络不同，玻璃的网络是不规则的、非周期性的，因此玻璃的内能比晶体的内能要大。
由于玻璃的强度与晶体的强度属于同一个数量级，玻璃的内能与相应晶体的内能相差并不多，因此它们的结构单元（四面体或三角体）应是相同的，不同之处在与排列的周期性。
微晶学说强调了玻璃结构的不均匀性、不连续性及有序性等方面特征，成功地解释了玻璃折射率在加热过程中的突变现象。
网络学说强调了玻璃中离子与多面体相互间排列的均匀性、连续性及无序性等方面结构特征。
当数量不多的碱金属氧化物同B2O3一起熔融时，碱金属所提供的氧不像熔融SiO2玻璃中作为非桥氧出现在结构中，而是使硼氧三角体转变为由桥氧组成的硼氧四面体，致使B2O3玻璃从原来两度空间的层状结构部分转变为三度空间的架状结构，从而加强了网络结构，并使玻璃的各种物理性能变好。
这与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，其性能随碱金属或碱土金属加入量的变化规律相反，所以称之为硼反常现象。
表面结构与性质
表面张力：
垂直作用在单位长度线段上的表面紧缩力或将物体表面增大一个单位所需作的功；
σ=力/总长度N/m
表面能：
恒温、恒压、恒组成情况下，可逆地增加物系表面积须对物质所做的非体积功称为表面能；
J/m2=N/m
液体：
不能承受剪应力，外力所做的功表现为表面积的扩展，因为表面张力与表面能数量是相同的；
固体：
能承受剪切应力，外力的作用表现为表面积的增加和部分的塑性形变，表面张力与表面能不等。
2、解：
同一种物质，其液体固体的表面结构不同，液体分子可自由移动，总是通过形成球形表面来降低其表面能；
固体则不能，固体质点不能自由移动，只能通过表面质点的极化、变形、重排来降低系统的表面能，固体表面处于高能量状态（由于表面力的存在）。
3、解：
吸附：
固体表面力场与被吸附分子发生的力场相互作用的结果，发生在固体表面上，分物理吸附和化学吸附；
粘附：
指两个发生接触的表面之间的吸引，发生在固液界面上；
铜丝放在空气中，其表面层被吸附膜（氧化膜）所覆盖，焊锡焊接铜丝时，只是将吸附膜粘在一起，锡与吸附膜粘附的粘附功小，锉刀除去表面层露出真正铜丝表面（去掉氧化膜），锡与铜相似材料粘附很牢固。
4、解：
1J=107尔格（erg），1卡=4.1868J，
设方镁石为正方体边长为a，V=a3，S表=6a2，比表面积S表/V=6a2/a3=6/a，1cm方镁石颗粒粉碎为1μm颗粒时，比表面积增加为:
104倍，增加的表面能为：
=0.06卡/g。
5、解：
结构相同而取向不同的晶体相互接触，其接触界面称晶界。
若相邻晶粒的原子彼此无作用，那么，每单位面积晶界能将等于两晶粒表面能之和，晶界结构和表面结构不同导致的。
但实际上，两个相邻晶粒的表面层上的原子间存在相互作用，且很强（两者都力图使晶界上质点排列符合于自己的取向，所以晶界上原子形成某种过渡的排列方式，与晶格内却不同，晶界上原子排列疏松，处于应力畸变状态，晶界上原子比晶界内部相同原子有较高的能量），这种作用部分抵消了表面质点的剩余的键力。
7、解：
设水膜厚度为h，水密度1g/cm3，1个粒度1μ的颗粒水膜重量为6×
（10-4）2×
h×
1，1g石英可粉碎为N个1μ的粉末，石英密度2.65g/cm3,N·
（10-4）3×
2.65=1
N=3.77×
1011,N个μ微粒水的量为1.02-1=0.02g
h=
=8.83×
10-7m=8.83nm。
8、解：
γsg=γlgcosθ+γls
cosθ=
=-0.8097
θ=144°
7'
90°
，不能润湿。
9、解：
γlg=500erg/cm2，求氧化物表面张力γsg，
γsg=γlgcos45°
+γls，2xγlscos45°
=γss
γss=1000dyn/cm=10-2N/cm=1N/m=1J/m2=103erg/cm2
γsg=500·
cos45°
+
=1060.5erg/cm2。
10、解：
（1）γgs=γglcos70.52°
+γls
γgs=900cos70.52°
+600=900erg/cm2
（2）γss=2cos
×
900=848.5erg/cm2
扩散
扩散的基本推动力是化学位梯度，只不过在一般情况下以浓度梯度的方式表现出来；
扩散是从高化学位处流向低化学位处，最终系统各处的化学位相等。
如果低浓度处化学势高，则可进行负扩散，如玻璃的分相过程。
看成一维稳定扩散，根据菲克第一定律
扩散系数宏观表达式D=D0exp（-Q/RT）
D0=0.34×
10-14m2/s
Q=4.5kcal/mol=4.5×
103×
4.1868J/mol=1.85×
104J/mol
R=8.314J/mol?
K，T=300+273=573K
D=0.34×
10-14exp（-3.88）=0.34×
10-14×
0.02=6.8×
10-17m2/s
cx=2.5×
1017/10-6=2.5×
1023
c2=cx-2.94×
1019=2.5×
20个Fe的晶胞体积：
20a3m3，30个Fe的晶胞体积：
30a3m3
浓度差：
J=1.02×
1019个/S?
m2
1个晶胞面积a2，n=Jx×
60×
a2=82个
根据恒定源扩散深度
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