无机非金属材料科学基础答案最终版.docx
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无机非金属材料科学基础答案最终版
长春理工大学
无机材料科学基础教程
Inorganicmaterialsscience-basedtutorial
制作人：
左手天堂
班级：
0906112
时间：
2011.09.10
第三章
萤石型和反萤石型二八面体型与三八面体型尖晶石与反尖晶石（a）萤石型：
CaF2型结构中，Ca2+按面心立方紧密排列，F-占据晶
胞中全部四面体空隙。
反萤石型：
阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。
（b）类质同象：
物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位
置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的
晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。
同质多晶：
同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。
（C）二八面体型：
在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构三八面体型：
在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。
（d）同晶取代：
杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。
阳离子交换：
在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，一些电价低、半径大的阳离子（如K+、Na+等）将进入晶体结构来平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它
阳离子交换。
（e）正尖晶石：
在AB2O4尖晶石型晶体结构中，若A2+分布在四面体空隙、而B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石；反尖晶石：
若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空隙另一半分布于八面体空隙，通式为B（AB）O4,称为反尖晶石。
3-2（a）在氧离子面心立方密堆积的晶胞中，画出适合氧离子位置的间隙类型及位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干？
四面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干？
（b）在氧离子面心立方密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何种价离子，其中：
（1）所有八面体间隙位置均填满；
（2）所有四面体间隙位置均填满；
（3）填满一半八面体间隙位置；
（4）填满一半四面体间隙位置。
并对每一种堆积方式举一晶体实例说明之。
解：
（a）参见2-5题解答。
（b）对于氧离子紧密堆积的晶体，获得稳定的结构所需电价离子及实例如下：
填满所有的四面体空隙，
填满一半的八面体空隙，
填满一半的四面体空隙，
MgO晶体结构，Mg2+半径为0.072nm,02-半径为0.140nm,计算
MgO晶体中离子堆积系数（球状离子所占据晶胞的体积分数）；计算MgO的密度。
解：
在MgO晶体中，正负离子直接相邻，a0=2（r++r-）=0.424（nm）体积分数=4X（4n/3）X（0.143+0.0723）/0.4243=68.52%密度=4X（24.3+16）/[6.0231023X0.424X0-7）3]=3.5112（g/cm3）3-5试解释：
在AX型晶体结构中，NaCI型结构最多；
答：
（a）在AX型晶体结构中，一般阴离子X的半径较大，而阳离子A的半径较小，所以X做紧密堆积，A填充在其空隙中。
大多数AX型化合物的r+/r-在0.414〜0.732之间，应该填充在八面体空隙，即具有NaCl型结构；并且NaCl型晶体结构的对称性较高，所以AX型化合物大多具有NaCl型结构。
3-6叙述硅酸盐晶体结构分类原则及各种类型的特点，并举一例说明之。
解：
硅酸盐矿物按照硅氧四面体的连接方式进行分类，具体类型见表
3-1。
表3-1硅酸盐矿物的结构类型
结构类型
共用氧数
形状
络阴离子
氧硅比
实例
岛状
0
四面体
[Si04]4-
4
镁橄榄石Mg[SiO4]
组群状
1〜2
六节坏
12-
[Si6O8]
3.5〜3
绿宝石BaAl2[Si6O8]
链状
2〜3
单链
[Si2O]4-
3〜2.5
透辉石CaMg[Si2C6]
层状
3
平面层
[Si©]4-
2.5
滑石Mg[Si4O0]（OH）2
架状
4
骨架
[SiO2]
2
石英SiO2
3-7堇青石与绿宝石有相同结构，分析其有显著的离子电导，较小的热膨胀系数的原因。
答：
堇青石Mg2Al3［AlSi50i8］具有绿宝石结构，以（3Al3++2Mg2+）置换绿宝石中的（3Be2++2Al3+）。
6个［SiOq］通过顶角相连形成六节环，沿c轴方向上下迭置的六节环内形成了一个空腔，成为离子迁移的通道，因
而具有显著的离子电导；另外离子受热后，振幅增大，但由于能够向结构空隙中膨胀，所以不发生明显的体积膨胀，因而热膨胀系数较小。
3-11金刚石结构中C原子按面心立方排列，为什么其堆积系数仅为34%。
答：
为了分析晶体结构方便起见，金刚石结构中C原子可以看成按面心立方排列。
但实际上由于C原子之间是共价键，具有方向性和饱和性，每个C原子只与4个C原子形成价键（紧密相邻），所以并没有达到紧密堆积（紧密堆积时每个原子同时与12个原子紧密相邻），其晶体
结构内部存在很多空隙。
所以其堆积系数仅为34%，远远小于紧密堆积的74.05%。
第四章
4.1名词解释
（a）弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷（b）刃型位错和螺型位错解：
（a）当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。
如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。
（b）滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型位错。
位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错。
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CsT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。
解：
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Ml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：
+2Clci
CaCl2亠珂+V；
CaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为：
+2Clci
CaCl2亠C坊
解：
根据热缺陷浓度公式:
n
K■
exp（—
Hr）
由题意△G=84KJ/mol=84000J/mol
ft_
则
M_
exp（iRT
）
其中R=8.314J/mol•K
2NiO
生成置换式的空位点缺陷。
其缺陷浓度为：
0.5%X
工02（g）7Oo+V肌+2h
按质量作用定律，平衡常数
K=
由此可得
即：
铁空位的浓度和氧分压的1/6次方成正比，故当周围分压增大时,铁空位浓度增加，晶体质量减小，则Fei-xO的密度也将减小。
（b）非化学计量化合物Zn1+xO,由于正离子填隙，使金属离子过剩:
ZnOopftT+2e'+2O2（g）
根据质量作用定律
严Po-1/6
即：
间隙离子的浓度与氧分压的1/6次方成反比，故增大周围氧分压，间隙离子浓度减小，晶体质量减小，则Zn1+xO的密度也将减小。
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。
解：
非化学计量化合物FeQ,可认为是a（mol）的Fe?
。
?
溶入FeO中,缺陷反应式为：
此非化学计量化合物的组成为:
已知：
Fe3+/Fe2+=0.1
则:
01
a=0.044
二X=2a+（1—3a）=1—a=0.956
（a）缺陷反应式为:
2TiTi?
/FONT＞寺O22口n+^+3Oo
Oo邛o+2e，+弓O2f
（b）缺陷浓度表达式:
4.10试比较刃型位错和螺型位错的异同点。
解：
刃型位错和螺型位错的异同点见表4-1所示。
表4-1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
柏格斯矢量S与刃
柏格斯矢量E与螺
量G的位置关系
性位错线垂直
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
引起晶体畸变和形
引起晶体畸变和形
起晶体畸变
成应力场，且离位
成应力场，且离位
和形成应力
错线越远，晶格畸
错线越远，晶格畸
场
变越小
变越小
位错类型
只有几个原子间距的线缺陷
只有几个原子间距的线缺陷
第六章
6-1说明熔体中聚合物形成过程?
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。
6-2简述影响熔体粘度的因素?
碱性氧化物含
熔体粘度按指数关系递增。
答：
影响熔体粘度的主要因素：
温度和熔体的组成。
量增加，剧烈降低粘度。
随温度降低，
6-3名词解释（并比较其异同）
答：
⑴晶子学说：
玻璃内部是由无数“晶子”组成，微晶子是带有晶格变形的有序区域。
它们分散在无定形介中质，晶子向无定形部分过渡是逐渐完成时，二者没有明显界限。
无规则网络学说：
凡是成为玻璃态的物质和相应的晶体结构一样，也是由一个三度空间网络所构成。
这种网络是由离子多面体（三角体或四面体）构筑起来的。
晶体结构网是由多面体无数次有规律重复构成，而玻璃中结构多面体的重复没有规律性。
⑵单键强：
单键强即为各种化合物分解能与该种化合物配位数的商。
⑶分化过程：
架状［SiO4］断裂称为熔融石英的分化过程。
缩聚过程：
分化过程产生的低聚化合物相互发生作用，形成级次较高的聚合物，次过程为缩聚过程。
⑷网络形成剂：
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/mo|.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。
6-4试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2熔体。
它们的结构有什么不同？
答：
利用X—射线检测。
晶体SiO2—质点在三维空间做有规律的排列，各向异性。
SiO2熔体一内部结构为架状，近程有序，远程无序。
SiO2玻璃一各向同性。
硅胶一疏松多孔。
6-5玻璃的组成是13wt%Na2O、13wt%CaO、74wt%SiO2,计算桥氧分
数？
解:
Na2O
CaO
SiO2
wt%
13
13
74
mol
0.21
0.23
1.23
mol%
12.6
13.8
73.6
R=（12.6+13.8+73.62）X73.6=2.39
•••Z=4•••X=2R-Z=2.39X-4=0.72
Y=Z-X=4-0.72=3.28
氧桥%=3.28/（3.28X0.5+0.72）
=69.5%
6-6有两种不同配比的玻璃，其组成如下:
序号
Na2O（wt%）
Al
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