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1、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Inorganic materials science-based tutorial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

2、、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。

3、（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

4、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 (4 n /3) X (0.143+0.0723)/0.4243=68.52% 密度=4X(24.3+16)/6.023 1

5、023X0.424 X0-7)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 0.4140.732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

6、数形状络阴离子氧硅比实例岛状0四面体Si044-4镁橄榄石MgSiO4组群状12六节坏12-Si6O83.5 3绿宝石 BaAl 2Si 6O8链状23单链Si 2O4-3 2.5透辉石 CaMgSi2C6层状3平面层Si4-2.5滑石 MgSi 4O0(OH) 2架状4骨架SiO 22石英SiO23-7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Mg2Al3AlSi50i8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

7、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

8、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

9、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：+2ClciCaCl2 亠珂+V；CaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为：+2ClciCaCl2亠C坊解：根据热缺陷浓度公式:nK exp (Hr)由题意 G=84KJ/mol=84000J/molft _则M _exp ( iRT)其中 R=8.314J/mol K2NiO生成置换式的

10、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Zn 1+x O,由于正离子填隙，使金属离子过剩:ZnOopftT +2e + 2 O2(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 Zn 1+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

11、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: 0 1a = 0.044二 X= 2 a +(1 3 a ) = 1a = 0.956(a)缺陷反应式为:2Ti Ti?/FONT寺 O2 2口 n + +3OoOo 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

12、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

13、低粘度。随温度降低，6-3名词解释（并比较其异同）答：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。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。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

14、较 高的聚合物，次过程为缩聚过程。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:Na2OCaOSiO2wt%131374mol0.210.231.23mol%12.613.873.6R=(12.6+13.8+73.6 2)X73.6=2.39 Z=4 X=2R - Z=2.39 X - 4=0.72Y=Z - X= 4 - 0.72=3.28氧桥 %=3.28/ (3.28X 0.5+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