無機材料科學(xué)基礎(chǔ)課后答案綜述

1、第二章答案2- 1 略。2-2 （1 ）一晶面在x、y、z軸上的截距分別為 2a、3b、6c,求該晶面的晶面指數(shù)；（2） 晶面在x、y、z軸上的截距分別為a/3、b/2、c，求出該晶面的晶面指數(shù)。111答：（1） h:k:l=.=3:2:1, a該晶面的晶面指數(shù)為（321）;（2） h:k:l=3:2:1,該晶面的晶面指數(shù)為（321 ）。2-3在立方晶系晶胞中畫出下列晶面指數(shù)和晶向指數(shù)：（001 ）與二，（111 ）與：，C）與111，（二_）與236，（ 257）與1，（ 123 ）與亠1，（ 102），（|,），（），110，一， ； I 答：(1T0)120111(112)1/2-4定性

2、描述晶體結(jié)構(gòu)的參量有哪些？定量描述晶體結(jié)構(gòu)的參量又有哪些？答：定性：對稱軸、對稱中心、晶系、點陣。定量：晶胞參數(shù)。2-5依據(jù)結(jié)合力的本質(zhì)不同，晶體中的鍵合作用分為哪幾類？其特點是什么？答：晶體中的鍵合作用可分為離子鍵、共價鍵、金屬鍵、范德華鍵和氫鍵。離子鍵的特點是沒有方向性和飽和性，結(jié)合力很大。共價鍵的特點是具有方向性和飽和性，結(jié)合力也很大。金屬鍵是沒有方向性和飽和性的的共價鍵，結(jié)合力是離子間的靜電庫侖力。范德華鍵是通過分子力而產(chǎn)生的鍵合，分子力很弱。氫鍵是兩個電負(fù)性較大的原子相結(jié)合形成的鍵，具有飽和性。2-6等徑球最緊密堆積的空隙有哪兩種？ 一個球的周圍有多少個四面體空隙、多少個八面體空隙？

3、答：等徑球最緊密堆積有六方和面心立方緊密堆積兩種，一個球的周圍有8個四面體空隙、6個八面體空隙。2-7 n個等徑球作最緊密堆積時可形成多少個四面體空隙、多少個八面體空隙？不等徑球是 如何進(jìn)行堆積的？答：n個等徑球作最緊密堆積時可形成n個八面體空隙、2n個四面體空隙。不等徑球體進(jìn)行緊密堆積時， 可以看成由大球按等徑球體緊密堆積后， 小球按其大小分 別填充到其空隙中， 稍大的小球填充八面體空隙， 稍小的小球填充四面體空隙， 形成不 等徑球體緊密堆積。2-8寫出面心立方格子的單位平行六面體上所有結(jié)點的坐標(biāo)。答：面心立方格子的單位平行六面體上所有結(jié)點為：（000）、（ 001）（ 100）（ 101）

4、（ 110）_ 111 I（010）（ 011）（ 111 ）（1 01）（ 0】1）（1 】0）（ 1】1）（1 1】）（1 1 1 ）。2-9計算面心立方、密排六方晶胞中的原子數(shù)、配位數(shù)、堆積系數(shù)。答：面心：原子數(shù) 4,配位數(shù)6，堆積密度川4 m=74.05%阿fix-TTff36/知 $2APC = -=74 05%8六方：原子數(shù)6，配位數(shù)6，堆積密度32-10根據(jù)最緊密堆積原理，空間利用率越高，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，金剛石結(jié)構(gòu)的空間利用率很低（只有34.01 %），為什么它也很穩(wěn)定？答：最緊密堆積原理是建立在質(zhì)點的電子云分布呈球形對稱以及無方向性的基礎(chǔ)上的，故只適用于典型的離子晶體和金屬晶體，而

5、不能用最密堆積原理來衡量原子晶體的穩(wěn)定性。另外,金剛石的單鍵個數(shù)為 4,即每個原子周圍有 4個單鍵（或原子），由四面體以共頂方式共價 結(jié)合形成三維空間結(jié)構(gòu)，所以，雖然金剛石結(jié)構(gòu)的空間利用率很低（只有34.01 %），但是它也很穩(wěn)定。2-11證明等徑圓球六方最密堆積的空隙率為25.9 %。4 J.4 J-na4x-ra答：設(shè)球半徑為a,則球的體積為E ，球的z=4，則球的總體積（晶胞）J ，立方體晶胞體積：（2a）3=16.，a3,空間利用率=球所占體積/空間體積=74.1%,空隙率=1-74.1%=25.9%。2-12金屬鎂原子作六方密堆積，測得它的密度為1.74g/cm3，求它的晶胞體積。答

6、：設(shè)晶胞的體積為 V,相對原子質(zhì)量為M,則晶胞體積nM6x24602荻1護(hù)幻.74= 1.37xl0223 nm2-13根據(jù)半徑比關(guān)系，說明下列離子與 d配位時的配位數(shù)各是多少？已知 廣=0.132nm ,4 +3+2+3 = 0.039nm ,k = 0.131 nm,ai = 0.057nm, r Mg = 0.078nm。I答：對于Si4+、K+、Al3+、Md+來說，其1依次是0.295、0.99、0.43、0.59 ;依據(jù)正離子配4+3+2+位數(shù)與正負(fù)離子半徑比的關(guān)系知配位數(shù)為：Si 4; K8; Al 6; Mg 6。2-14為什么石英不同系列變體之間的轉(zhuǎn)化溫度比同系列變體之間的轉(zhuǎn)

7、化溫度高得多?答：石英同一系列之間的轉(zhuǎn)變是位移性轉(zhuǎn)變，不涉及晶體結(jié)構(gòu)中鍵的破裂和重建，僅是鍵長、鍵角的調(diào)整、需要能量較低，且轉(zhuǎn)變迅速可逆；而不同系列之間的轉(zhuǎn)變屬于重建性轉(zhuǎn)變，都 涉及到舊鍵的破裂和新鍵的重建，因而需要較的能量，且轉(zhuǎn)變速度緩慢； 所以石英不同系列之間的轉(zhuǎn)化溫度比同系列變體之間轉(zhuǎn)化的溫度要高的多。2-15有效離子半徑可通過晶體結(jié)構(gòu)測定算出。在下面 NaCI型結(jié)構(gòu)晶體中，測得 MgS和MnS 的晶胞參數(shù)均為a= 0.520nm(在這兩種結(jié)構(gòu)中，陰離子是相互接觸的)。若Ca(a= 0.567nm )、 CaO( a= 0.480nm)和MgO( a= 0.420nm)為一般陽離子陰離子

8、接觸，試求這些晶體中各 離子的半徑。答：MgS中 a=0.502nm，陰離子相互接觸，a=2 r-,. rS2-=0.177nm; CaS中 a=0.567nm,陰陽離子相互接觸，a=2(r+rj ,.r ca2=0.107nm； CaO中 a=0.408nm, a=2(r+rj ,/r o2-=0.097nm; MgO中 a=0.420nm, a=2(r +r-) ,.rMg2+=0.113nm。2-16氟化鋰(LiF )為NaCI型結(jié)構(gòu)，測得其密度為2.6g/cm 3，根據(jù)此數(shù)據(jù)計算晶胞參數(shù)，并將此值與你從離子半徑計算得到數(shù)值進(jìn)行比較。答：設(shè)晶胞的體積為 V,相對原子質(zhì)量為 M,對于NaC

9、I型結(jié)構(gòu)來說，其n=4.= 6.64x1 嚴(yán)3 nm嚴(yán)nM _4x26則晶胞體積3 6.023xl0a3x2.6則晶胞參數(shù):根據(jù)離子半徑計算：a=2(r +r-)=4.14nm/ I 11 *i&CaFa晶胞在（001）面上的投影圖(2)Ja*A$&CaF2（ 110）面上的離子排列簡圖瓦p = Li 2O的密度2-18MgO和CaO同屬NaCI型結(jié)構(gòu)，而它們與水作用時則 CaO要比MgO活潑，試解釋之。 解：因為品+與22+不同，rca2+Mg2+,使CaO結(jié)構(gòu)較MgO疏松，HkO易于進(jìn)入，所以活潑。2-19CaF2的晶胞參數(shù)為0.547nm。（ 1）根據(jù)CaF2晶胞立體圖畫出 CaE晶胞在

10、（001）面上的投影圖；（2）畫出CaFz（ 110）面上的離子排列簡圖；（3）正負(fù)離子半徑之和為多少？解（1）（3）正負(fù)離子半徑之和二 0.19 加22-20計算Cdl2晶體中的 廠及CaTiO3晶體中 亍 的電價是否飽和?解：Cdl2晶體中Cd2+W配位數(shù)CN=6 I-與三個在同一邊的 CcT相連，且I -的配位數(shù)CN=3y=1 =kl所以，即I-電價飽和CaTiQ晶體中，Ca2+的配位數(shù)CN=12 Ti4+的配位數(shù)CN=6 O-的配位數(shù)CN=6即O-電價飽和。2-21 （ 1）畫出O2作面心立方堆積時，各四面體空隙和八面體空隙的所在位置（以一個晶胞為結(jié)構(gòu)基元表示出來）；（2）計算四面體空

11、隙數(shù)、八而休空隙數(shù)與數(shù)之比解（1）略（2）四面體空隙數(shù)與 0數(shù)之比為2:1，八面體空隙數(shù)與 &數(shù)之比為1:12-22根據(jù)電價規(guī)則，在下面情況下，空隙內(nèi)各需填入何種價數(shù)的陽離子，并對每一種結(jié)構(gòu)舉出一個例子。（1 ）所有四面體空隙位置均填滿；（2）所有八面體空隙位置均填滿；（3）填滿一半四面體空隙位置；（4）填滿一半八面體空隙位置。答：分別為（1）陰陽離子價態(tài)比應(yīng)為 1:2如CaFa （2）陰陽離子價態(tài)比應(yīng)為1:1如NaCI（3）陰陽離子價態(tài)比應(yīng)為 1:1如ZnS （4）陰陽離子價態(tài)比應(yīng)為1:2如TiO2 2-23化學(xué)手冊中給出 NHCI的密度為1.5g/cm3 , X射線數(shù)據(jù)說明NHCI有兩種晶

12、體結(jié)構(gòu)， 種為NaCl型結(jié)構(gòu)，a= 0.726nm;另一種為 CsCl結(jié)構(gòu)，a= 0.387nm。上述密度值是哪一種 晶型的？（ NH*離子作為一個單元占據(jù)晶體點陣）。解：若NHCI為NaCl結(jié)構(gòu)則可由公式可得:(0.726X107)3=0.912g/cm若NHCI為NaCl結(jié)構(gòu),則可由公式可得:(0.387xl07)3=1.505由計算可知NaCl型結(jié)構(gòu)的NHCI與化學(xué)手冊中給出 NHCI的密度接近，所以該密度ZnS2r s當(dāng)為NaCI型結(jié)構(gòu)時:所以體積變化:解：當(dāng)為立方ZnS型結(jié)構(gòu)時:a2 = 2+ r?丿=2(rM：+rs2-)=2(0.08+0.184)=0.384nm 打-討 0.4

13、7?-0.3843If = = =46.15%2-25鈦酸鋇是一種重要的鐵電陶瓷, 這個結(jié)構(gòu)中離子的配位數(shù)為若干？（其晶型是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)， 試問：（1）屬于什么點陣?3）這個結(jié)構(gòu)遵守鮑林規(guī)則嗎？請作充分討論。(2)答：（1）屬于立方晶系（2） Ba2+、Ti 4+和 O-的配位數(shù)分別為12、6和6（3 ）這個結(jié)構(gòu)遵守鮑林規(guī)則鮑林第一規(guī)則配位多面體規(guī)則r - 0.132 測 = 0.064伽尸=0.143mm0.0640A32= 0.485配位數(shù)為6NaCI晶型 2-24MnS有三種多晶體，其中兩種為NaCI型結(jié)構(gòu)，一種為立方ZnS型結(jié)構(gòu)，當(dāng)有立方型2+結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镹aCI型結(jié)構(gòu)時，體積變化的百分?jǐn)?shù)

14、是多少？已知CN= 6時，rMn = 0.08nm,=0.184nm; CN= 4 時，rMn = 0.073nm, rs = 0.167nm。竺=1083對于Ba2+ *丁.二一配位數(shù)為12 符合鮑林第一規(guī)則 鮑林第二規(guī)則電價規(guī)則24y-x4+-x2=2即負(fù)離子電荷Z=.則O2離子電荷 =:_一與O2-離子電荷相等，故符合鮑林第二規(guī)則，又根據(jù)鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)知其配位多面體不存在共棱或共面的情況，結(jié)構(gòu)情況也符合鮑林第四規(guī)則不同配位體連接方式規(guī)則和鮑林第五規(guī)則節(jié)約規(guī)則所以鈣鈦礦結(jié)構(gòu)遵守鮑林規(guī)則。2-26硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)有何特點？怎樣表征其學(xué)式？答：硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但不同的結(jié)構(gòu)之間具有下面的共同

15、特點：4+（1 ）結(jié)構(gòu)中的Si離子位于02-離子形成的四面體中心，構(gòu)成硅酸鹽晶體的基本結(jié)構(gòu)單元SiO 4四面體。Si-0-Si是一條夾角不等的折線，一般在145左右。（2） SiO 4四面體的每個頂點，即 02-離子最多只能為兩個SiO 4四面體所共用。（3）兩個相鄰的SiO 4四面體之間只能共頂而不能共棱或共面連接。（4）SiO 4四面體中心的Si 4+M子可以部分地被 Al 3+M子所取代，取代后結(jié)構(gòu)本身不發(fā)生太 大變化，即所謂的同晶取代，但晶體的性質(zhì)發(fā)生了很大的變化。這為材料的改性提供了可能。硅酸鹽的化學(xué)式表征方法主要有以下兩種：（1）氧化物表示法將構(gòu)成硅酸鹽晶體的所有氧化物按一定的比例

16、和順序全部寫出來，先是1價的堿金屬氧化物，其次是2價、3價的金屬氧化物，最后是 SiO2（2）無機絡(luò)合鹽表示法構(gòu)成硅酸鹽晶體的所有離子按一定的比例和順序全部寫出來，再把相關(guān)的絡(luò)陰離子用中括號括起來即可。先是1價、2價的金屬離子，其次是AI3+離子和Si *離子，最后是O離子和OH 離子。氧化物表示法的優(yōu)點在于一目了然的反應(yīng)出晶體的化學(xué)組成，可以按此配料來進(jìn)行晶體的實驗室合成。用無機絡(luò)合鹽法則可以比較直觀的反應(yīng)出晶體所屬的結(jié)構(gòu)類型，進(jìn)而可以對晶體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)作出一定程度的預(yù)測。兩種表示方法之間可以相互轉(zhuǎn)換。2-27硅酸鹽晶體的分類依據(jù)是什么？可分為那幾類，每類的結(jié)構(gòu)特點是什么？答：硅酸鹽晶體主要是

17、根據(jù)SiO 4在結(jié)構(gòu)中的排列結(jié)合方式來分類，具體可以分為五類：島 狀、組群狀、鏈狀、層狀和架狀。結(jié)構(gòu)和組成上的特征見下表：結(jié)構(gòu)類型SiO 4共用 O2-數(shù)形狀絡(luò)陰離子團(tuán)Si:OI島狀0四面體4-SiO 41:4組群狀1雙四面體Si 2Q6- 6-2:72二節(jié)環(huán)Si 3Q8-1:32四節(jié)環(huán)Si 4O281:32六節(jié)環(huán)Si 6。812-1:3鏈狀2單鏈4-Si 2Q1:32、3雙鏈Si 4O16-4:11層狀3平面層4-Si 4O04:10架狀4骨架SiO 44-1:4(Al xSi 4-x)O8x-1:42- 28下列硅酸鹽礦物各屬何種結(jié)構(gòu)類型：MgSiO4 , KAISi 3O , CaMgS

18、i 2G6 , MgSi 4O0(OH 2, CstAIAISiO 7。答：分別為島狀；架狀；單鏈；層狀（復(fù)網(wǎng)）；組群（雙四面體）。2-29根據(jù)MSiO4在（100）面的投影圖回答：（1）結(jié)構(gòu)中有幾種配位多面體，各配位多 面體間的連接方式怎樣？ （ 2）O的電價是否飽和？ （ 3）晶胞的分子數(shù)是多少？（ 4） Si +和Mg+所占的四面體空隙和八面體空隙的分?jǐn)?shù)是多少？解：（1）有兩種配位多面體，SQ4 , MgQ，同層的MgO6八面體共棱，如 59MgQ和2 2 2&與 3 個MgO6和 1 個SiO 4,，所以O(shè)h包和49MgO6共棱75O和27O，不同層的MgQ八面體共頂，女口 1MgO和

19、51MgQ共頂是22O , 同層的MgQ與SiO 4共頂，如TMgQ和7SiO 4共頂22O ,不同層的MgQ與SiO 4共棱， TMgO和 43SiO 4共 28& 和 28O2-；(2)（3）z=4；（4）Si4+占四面體空隙=1/8 , Mg+占八面體空隙=1/2 。2- 30石棉礦如透閃石 CstMgSi 4O1 （OH 2具有纖維狀結(jié)晶習(xí)性，而滑石MgSi 4O0 （ OH2卻具有片狀結(jié)晶習(xí)性，試解釋之。解：透閃石雙鏈結(jié)構(gòu)，鏈內(nèi)的 Si-O鍵要比鏈5的Ca-O Mg-O鍵強很多，所以很容易沿鏈間 結(jié)合力較弱處劈裂成為纖維狀； 滑石復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，復(fù)網(wǎng)層由兩個SiO4層和中間的水鎂石層 結(jié)

20、構(gòu)構(gòu)成，復(fù)網(wǎng)層與復(fù)網(wǎng)層之間靠教弱的分之間作用力聯(lián)系，因分子間力弱，所以易沿分子間力聯(lián)系處解理成片狀。2-31石墨、滑石和高嶺石具有層狀結(jié)構(gòu)，說明它們結(jié)構(gòu)的區(qū)別及由此引起的性質(zhì)上的差異。解：石墨與滑石和高嶺石比較，石墨中同層C原子進(jìn)行SP2雜化，形成大 n鍵，每一層都是六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于間隙較大，電子可在同層中運動，可以導(dǎo)電，層間分子間力作用， 所以石墨比較軟。滑石和高嶺石區(qū)別主要是滑石是Mg2+取代AI3+的2:1型結(jié)構(gòu)八面體層為三八面體型結(jié)構(gòu)而高嶺石為 1:1 型二八面體結(jié)構(gòu)2-32（ 1）在硅酸鹽晶體中， AI3+為什么能部分置換硅氧骨架中的 Si4+;（ 2） Al3+置換Si 后，對

21、硅酸鹽組成有何影響？ （ 3）用電價規(guī)則說明 AI 3置換骨架中的 Si 4時，通常不超 過一半，否則將使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。解：（1） Al3+可與&形成AlOj5-; AI3+與Si4+處于第二周期，性質(zhì)類似，易于進(jìn)入硅酸鹽晶 體結(jié)構(gòu)中與Si4+發(fā)生同晶取代，由于遵循鮑林規(guī)則，所以只能部分取代；（2） A|3+置換Si 4是部分取代， Al 3+取代 Si 4+時，結(jié)構(gòu)單元 AlSiO 4ASiO 5 ，失去了電中性，有過剩的負(fù)電荷， 為了保持電中性，將有一些半徑較大而電荷較低的陽離子如K+、Ca2+、Ba2+進(jìn)入結(jié)構(gòu)中；（3）設(shè)人3+置換了一半的Si4+,則O-與一個Si4+一個A|3+相連，陽

22、離子靜電鍵強度=3/4 X 1+4/4 X仁7/4 , O-電荷數(shù)為-2 ,二者相差為1/4 ,若取代超過一半，二者相差必然1/4 , 造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。第三章答案3- 2 略。3-2 試述位錯的基本類型及其特點。 解：位錯主要有兩種：刃型位錯和螺型位錯。刃型位錯特點：滑移方向與位錯線垂直，符號 丄，有多余半片原子面。 螺型位錯特點：滑移方向與位錯線平行， 與位錯線垂直的面不是平 面，呈螺施狀，稱螺型位錯。3-3非化學(xué)計量化合物有何特點？為什么非化學(xué)計量化合物都是n型或p型半導(dǎo)體材料？解：非化學(xué)計量化合物的特點：非化學(xué)計量化合物產(chǎn)生及缺陷濃度與氣氛性質(zhì)、壓力有關(guān)； 可以看作是高價化合物與低價化合

23、物的固溶體； 缺陷濃度與溫度有關(guān)， 這點可以從平衡常數(shù) 看出；非化學(xué)計量化合物都是半導(dǎo)體。 由于負(fù)離子缺位和間隙正離子使金屬離子過剩產(chǎn)生金 屬離子過剩 （n 型）半導(dǎo)體，正離子缺位和間隙負(fù)離子使負(fù)離子過剩產(chǎn)生負(fù)離子過剩（ p 型）半導(dǎo)體。3-4 影響置換型固溶體和間隙型固溶體形成的因素有哪些？解：影響形成置換型固溶體影響因素：（ 1）離子尺寸：15%規(guī)律：1.（ R-R2） /R115%不連 續(xù)。 2.40%不能形成固熔體。 （2）離子價：電價相同，形成連續(xù)固熔體。（ 3）晶體結(jié)構(gòu)因素：基質(zhì)，雜質(zhì)結(jié)構(gòu)相同，形成連續(xù)固熔體。（4）場強因素。（ 5）電負(fù)性：差值小，形成固熔體。差值大形成化合物。影

24、響形成間隙型固溶體影響因素： （1）雜質(zhì)質(zhì)點大?。杭刺砑拥脑佑?，易形成固溶體， 反之亦然。（ 2）晶體（基質(zhì)）結(jié)構(gòu)：離子尺寸是與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系密切相關(guān)的，在一定程 度上來說， 結(jié)構(gòu)中間隙的大小起了決定性的作用。 一般晶體中空隙愈大，結(jié)構(gòu)愈疏松， 易形 成固溶體。 （3）電價因素：外來雜質(zhì)原子進(jìn)人間隙時，必然引起晶體結(jié)構(gòu)中電價的不平衡， 這時可以通過生成空位，產(chǎn)生部分取代或離子的價態(tài)變化來保持電價平衡。3- 5 試分析形成固溶體后對晶體性質(zhì)的影響。解：影響有：（ 1）穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生；（2）活化晶格，形成固溶體后，晶格結(jié)構(gòu)有一定畸變，處于高能量的活化狀態(tài)，有利于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；

25、（3）固溶強化，溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的強度、硬度升高；（4）形成固溶體后對材料物理性質(zhì)的影響：固溶體的電學(xué)、 熱學(xué)、磁學(xué)等物理性質(zhì)也隨成分而連續(xù)變化， 但一般都不是線性關(guān)系。 固溶 體的強度與硬度往往高于各組元，而塑性則較低3-6 說明下列符號的含義：VNa,VNa,Vci ,（VNaVci）,CcK ,Octa,Ca 解：鈉原子空位；鈉離子空位，帶一個單位負(fù)電荷；氯離子空位，帶一個單位正電荷；最鄰近的Na+空位、Cl-空位形成的締合中心； ca2+占據(jù)K.位置，帶一個單位正電荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Cf處于晶格間隙位置。3- 7寫出下列缺陷反應(yīng)式： (I ) NaCI溶入CaCb

26、中形成空位型固溶體； (2) CaCS溶入NaCI 中形成空位型固溶體；(3)NaCI形成肖特基缺陷；(4)Agl形成弗倫克爾缺陷(Ag+進(jìn)入 間隙)。解：(1) NaCI丿 Na=a +CI ci+VCi(2) CaCl2CaNa +2CI ci+VNa(3) O VNa +VCl (4) AgAgT VAg +Agi3-8MgO的密度是3.58g/cm 3,其晶格參數(shù)是 0.42nm，計算單位晶胞 MgO勺肖特基缺陷數(shù)。解：設(shè)有缺陷的 MgO晶胞的晶胞分子數(shù)為 x，晶胞體積V=(4.20 ) 3, x= p VN0/M=3.96,單位 晶胞的肖脫基缺陷數(shù)=4-x=0.04。3-9MgO (

27、 NaCI型結(jié)構(gòu))和Li 2O (反螢石型結(jié)構(gòu))均以氧的立方密堆為基礎(chǔ)，而且陽離子都 在這種排列的間隙中，但在MgO中主要的點缺陷是肖特基缺陷，而在Li 20中是弗倫克爾型，請解釋原因。解：Mg占據(jù)四面體空隙，Li占據(jù)八面體空隙。3-10MgO晶體的肖特基缺陷生成能為84kJ/mol，計算該晶體1000K和1500K的缺陷濃度。_ 3一 2(答：6.4 X 10 _ , 3.5 X 10 _ )32解：n/N=exp (-E/2RT), R=8.314 , T=1000k: n/N=6.4 X 10- ； T=1500k: n/N=3.5 X 10 -。3- 11非化學(xué)計量化合物 FexO中，

28、Fe3+/Fe2+= 0.1，求FexO中的空位濃度及 x值。(答:2. 25X 10 _5； 0.956 )解：Fe2Qv2FeFe +3OO+VFey2yy3+2+Fe 2yFe 1-3y O,1一=0.l-0,3yy=0.1/2. 3=0.0435X=1-y=1-0.0435=0.9565,Fe0.9565 OVFe =2.22 X 10-23-12非化學(xué)計量缺陷的濃度與周圍氣氛的性質(zhì)、壓力大小相關(guān)，如果增大周圍氧氣的分壓非化學(xué)計量化合物Fei-xO及Zni+x0的密度將發(fā)生怎么樣的變化？增大還是減?。繛槭裁?？解：Zn (g) Zn +eZn ( g) +1/2O2=ZnOZne +1/

29、20ZnOZnO=e PQ Zni p!.C2 (g) :- OO+VFe +2h k=OcV Fe h /PO2l/2=4OOV Fe 3/PO 21/2VFe x PO2-1/6 , PQ VFep3-13對于刃位錯和螺位錯，區(qū)別其位錯線方向、伯氏矢量和位錯運動方向的特點。解：刃位錯：位錯線垂直于位錯線垂直于位錯運動方向；螺位錯：位錯線平行于位錯 線平行于位錯運動方向。3-14圖3-1是晶體二維圖形，內(nèi)含有一個正刃位錯和一個負(fù)刃位錯。(1)圍繞兩個位錯伯格斯回路，最后得伯格斯矢量若干？(2 )圍繞每個位錯分別作伯氏回路，其結(jié)果又怎樣？解：略。3-15有兩個相同符號的刃位錯，在同一滑移面上相

30、遇，它們將是排斥還是吸引？解：排斥，張應(yīng)力重疊，壓應(yīng)力重疊。3-16晶界對位錯的運動將發(fā)生怎么樣的影響？能預(yù)計嗎？解：晶界對位錯運動起阻礙作用。3-17晶界有小角度晶界與大角度晶界之分，大角度晶界能用位錯的陣列來描述嗎？解：不能，在大角度晶界中，原子排列接近于無序的狀態(tài)，而位錯之間的距離可能只有1、2個原子的大小，不適用于大角度晶界。3-18從化學(xué)組成、相組成考慮，試比較固溶體與化合物、機械混合物的差別。固溶體機械混合物化合物形成原因以原子尺寸“溶解”生成粉末混合原子間相互反映生成相數(shù)均勻單相多相單相均勻化學(xué)計量不遵守定比定律遵守定比定律化學(xué)組成不確定有幾種混合物就有多少化學(xué)組成確定以A0溶質(zhì)

31、溶解在 BQ溶劑中為例:比較項固溶體化合物機械混合物化學(xué)組成EMj： 0（x=0 2）ABOAO+BO?相組成均勻單相單相兩相有界面3-19試闡明固溶體、晶格缺陷和非化學(xué)計量化合物三者之間的異同點，列出簡明表格比較。解：固溶體、晶格缺陷、非化學(xué)計量化合物都是點缺陷，是晶體結(jié)構(gòu)缺陷，都是單相均勻的 固體，結(jié)構(gòu)同主晶相。熱缺陷本征缺陷；固溶體非本征缺陷；分類形成原因形成條件缺陷反應(yīng)化學(xué)式溶解度、缺陷濃度熱缺陷肖特基弗倫克爾熱起伏TOk少哺+逅M +MMXMX只受溫度控制固溶體無限，有限，置換，間隙攙雜溶解大小，電負(fù)性，電價，結(jié)構(gòu)無：受溫度控制 有：攙雜量 固溶度受 固溶度控制陽缺Fei-xOh 乂

32、P叢非化學(xué)環(huán)境中氣陰間UO+x5 *P護(hù)計量化氛性質(zhì)和合物陽間壓力變化Zn 1+xO見*陰缺TQ2-XG *嚴(yán)3-20在面心立方空間點陣中，面心位置的原子數(shù)比立方體項角位置的原子數(shù)多三倍。原子B溶入A晶格的面心位置中，形成置換型固溶體，其成分應(yīng)該是AB呢還是AB?為什么？解：略。3-21AI 203在MgO中形成有限固溶體，在低共熔溫度 1995C時.約有18wt % AI2Q溶入MgO 中，假設(shè)MgO單位晶胞尺寸變化可忽略不計。試預(yù)計下列情況的密度變化。1） AI3+為填隙離子；2）人3+為置換離子。解：（a） Al3+為填隙離子：缺陷反應(yīng)為：（ 1）Mg 3 A1XV 30固溶式分子式：一

33、-（b） Al3+為置換離子：缺陷反應(yīng)為：二丄亠亠：匚（2）叫Q I 0固溶式分子式：匚（3）取100g試樣為基準(zhǔn)：（為摩爾數(shù)）18皿站Ch =0.176（m為摩爾數(shù)）1028282111唧 MgO中固溶18%wt的Al 203后的分子式為：2.035MgO 0.176AI 2Q或 Mg.o35AI 0.352Q.563 (4)(4)式各項除以 2.563 得 Mg.794AI o.i37 0 ( 5)由（5）式得x=0.137代入（2）（ 3）式,對（a）有山叮/ 3137即-二 I-(b)有-= 4 迢- 設(shè)：固溶前后晶胞體積不變，則密度變化為：p 0 176MAL2Oj + 2.035M

34、Mgp0 17fi xl02 4- 2.035 x 40 3PhlgQ2.563MMgQ2.563 x40.3，分別代表固溶前后密度）所以，固溶后的密度小于固溶前的密度。3-22對硫鐵礦進(jìn)行化學(xué)分析：按分析數(shù)據(jù)的Fe/S計算，得出兩種可能的成分：Fe1-xS和FeS-x,前者意味著是Fe空位的缺陷結(jié)構(gòu)，后者是 Fe被置換。設(shè)想用一種實驗方法以確定該礦物 究竟屬哪一類成分？解：Fe1-xS中存在Fe空位，：非化學(xué)計量，存在 i P型半導(dǎo)體；FeS-x中金屬離子過剩， 存在S2-空位，存在N型半導(dǎo)體；因Fe-xS、FeS-x分屬不同類型半導(dǎo)體，通過實驗確定其半導(dǎo)體性質(zhì)即可。3-23說明為什么只有置

35、換型固溶體的兩個組分之間才能相互完全溶解，而填隙型固溶體則 不能。解：（1）晶體中間隙位置是有限的，容納雜質(zhì)質(zhì)點能力 10% （ 2）間隙式固溶體的生成， 一般都使晶格常數(shù)增大，增加到一定的程度，使晶格變得不穩(wěn)定而離解；置換固溶體形成是 同號離子交換位置，不會對接產(chǎn)生影響，所以可形成連續(xù)固溶體。3- 24對于MgO Al 2O和CaQ,其正、負(fù)離子半徑比分別為0.47、0.36和0.40，貝U AI2O和Al 203形成連續(xù)固溶體。（1）這個結(jié)果可能嗎？為什么？（2）試預(yù)計，在 MgO- 62Q系統(tǒng)中的固溶度是有限的還是無限的？為什么？解：（1） AI203與Cr2Q能形成連續(xù)固溶體，原因：1

36、）結(jié)構(gòu)內(nèi)型相同，同屬于剛玉結(jié)構(gòu)。2)0.40-0.360.40= 10% 15%形成間隙固溶體，存在間隙Ca邛離子（2） MgO與 Cr2O3的固溶度為有限原因：結(jié)構(gòu)類型不同 MgO屬于NaCI型結(jié)構(gòu)，Cr2O3屬剛玉結(jié)構(gòu)。0.47-040047= 14.89 15%解：MgO-ALQ：，即 Mg rA 半徑相差大，MgO（NaCI 型）、AL?Q （剛玉）結(jié)構(gòu)類型差別大，形成有限固溶體；PbTiO3-PbZrO3形成無限固溶體，因為盡管Ti 4+、Zr4+半徑相差較大（15.28 ）,但都是（ABO）鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，Ti4+、Zr4+都填充八面體空隙，該空隙體積較大，可填入的陽離子的半徑r值可

37、在一定范圍內(nèi)變化，而不至于使結(jié)構(gòu)變化。3-27CeQ為螢石結(jié)構(gòu)，其中加入 15mol%CaC形成固溶體，測得固溶體密度d= 7.01g/cm 3,晶胞參數(shù)a= 0.5417nm,試通過計算判斷生成的是哪一種類型固溶體。已知原子量Ce140.12 ,Ca40.08，016.00。解：對于CaO-CeO固溶體來說，從滿足電中性來看，可以形成氧離子空位的固溶體也可形 成Cf嵌入陰離子間隙中的固溶體，其固溶方程為：2CQ4tC 壷+26+C 站對于置換式固溶體有 x=0.15，1-x=0.85 ,2-x=1.85，所以置換式固溶體化學(xué)式 Cct.15Ce3.850.85。 有因為CeO屬于螢石結(jié)構(gòu)，晶

38、胞分子數(shù) Z=4，晶胞中有Ca2+、Ce4+、0-三種質(zhì)點。晶胞質(zhì)量” 015 “0.85 “ n 185 “4x xMu3+4x xMc(w+8x xM0. w=y =】J_z=J6.022 xlO22對于間隙固溶體，其化學(xué)式Ca2yCe-yQ，與已知組成 CaCeO相比，O不同,Ca).i5 Ce85O.85 Ca? .15 X 2/1.85 CSD.8 3X2/1.85 Q0.15x20 85x2W 135=間隙式固溶體化學(xué)式Cob .13 X 2/1.85 Ce .7/1.85 O2同理可得實測密度為d=7.01匚匸幻，接近于d2第四章答案4- 1 略。4- 2試簡述硅酸鹽熔體聚合物結(jié)

39、構(gòu)形成的過程和結(jié)構(gòu)特點。解：聚合物的形成是以硅氧四面體為基礎(chǔ)單位，組成大小不同的聚合體?？煞譃槿齻€階段： 初期：石英的分化，架狀SiO 4斷裂，在熔體中形成了各種聚合程度的聚合物。中期：縮聚并伴隨變形一般鏈狀聚合物易發(fā)生圍繞Si-0軸轉(zhuǎn)動同時彎曲，層狀聚合物使層本身發(fā)生褶皺、翹曲、架狀聚合物熱缺陷增多，同時Si-0-Si鍵角發(fā)生變化。SiO 4Na4+Si 2O7Na6Si 30oNa8+NQO （短鍵）3Si 30oNa8 Si 6Ci8Nai2+2Na0 （六節(jié)環(huán)）后期：在一定時間和溫度范圍內(nèi)，聚合和解聚達(dá)到平衡?？s聚釋放的NaaO又能進(jìn)一步侵蝕石英骨架而使其分化出低聚物，如此循環(huán)，直到體

40、系達(dá)到分化-縮聚平衡為止。4- 3試用實驗方法鑒別晶體SiO2、SiO2玻璃、硅膠和 SiO2熔體。它們的結(jié)構(gòu)有什么不同？解：利用X射線檢測。晶體SiO2質(zhì)點在三維空間做有規(guī)律的排列，各向異性。SiO2熔體一一內(nèi)部結(jié)構(gòu)為架狀，近程有序，遠(yuǎn)程無序。SiO2玻璃一一各向同性。硅膠疏松多孔。4- 4影響熔體粘度的因素有哪些？試分析一價堿金屬氧化物降低硅酸鹽熔體粘度的原因。解：（1）影響熔體粘度的主要因素：溫度和熔體的組成。堿性氧化物含量增加，劇烈降低粘度。隨溫度降低，熔體粘度按指數(shù)關(guān)系遞增。（2）通常堿金屬氧化物（Li 2O NqO K2O RbO CS2O能降低熔體粘度。這些正離子由于 電荷少、半

41、徑大、和CO的作用力較小，提供了系統(tǒng)中的“自由氧”而使O/Si比值增加，導(dǎo)致原來硅氧負(fù)離子團(tuán)解聚成較簡單的結(jié)構(gòu)單位，因而使活化能減低、粘度變小。4-5熔體粘度在 727C時是107Pa- s,在1156C時是103Pa- s,在什么溫度下它是 106Pa- s?解：根據(jù)log 107 = A-log 105 - A+727C時，n =107Pa- s,由公式得：27 二 (1)1156C 時，n =103Pa- s，由公式得:聯(lián)立(1),( 2)式解得 A=-6.32 , B=13324log 10s =-6.32+-當(dāng) n =106Pas 時，. I 1解得 t =808.5 C。4-6試述

42、石英晶體、石英熔體、NqO 2SiO2熔體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的區(qū)別。石英晶體石英熔體NazO?2SiQ結(jié)構(gòu)SiO町按共頂方式對稱有規(guī) 律有序排列，遠(yuǎn)程有序基本結(jié)構(gòu)單元SiO 4呈 架狀結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程無序基本結(jié)構(gòu)單元Si 60812-呈六 節(jié)環(huán)或八節(jié)環(huán)，遠(yuǎn)程無序性質(zhì)固體無流動性，熔點高，硬 度大，導(dǎo)電性差，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定， 化學(xué)穩(wěn)定性好有流動性，e大，電導(dǎo) 率大，表面張力大有流動性，e較石英熔體小， 電導(dǎo)率大，表面張力大4- 7SiO 2熔體的粘度在 1000C時為1014Pa- s，在1400C時為107Pa - s。SQ2玻璃粘滯流動 的活化能是多少？上述數(shù)據(jù)為恒壓下取得，若在恒容下獲得，你認(rèn)為活化能會改變

43、嗎？為 什么？解：（1）根據(jù)公式：1000C 時,1014 二嘰 exp()n =1014Pa- s, T=1000+273=1273K,一- ：J r . 1000C 時,107 = expt)n =107Pa- s, T=1400+273=1673K,1“ r ; r .聯(lián)立（1）,(2)式解得：-5.27 x 10-16Pa- s，丄：=713.5kJ/mol（2）若在在恒容下獲得，活化能不會改變。因為活化能是液體質(zhì)點作直線運動所必需的能 量。它與熔體組成和熔體SiO4聚合程度有關(guān)。4-8 一種熔體在 1300C的粘度是 310Pa s，在800C是107Pa- s,在1050C時其粘度

44、為多少？在此溫度下急冷能否形成玻璃?log # 二/解：（1）根據(jù) _:1300C時，n =310Pa- s,由公式得:log 310 = H_ | 二log 107 二/800C時，n =107Pa- s,由公式得：二I I二；聯(lián)立(1),( 2)式解得 A= -7.2 , B=15219.6當(dāng) t=1050C 時，_二工 解得 n =20130.5Pa s。T-7.(2)在此溫度下，極冷能形成玻璃。4-9試用log n = A+日(T-T)方程式，繪出下列兩種熔體在1350500C間的粘度曲線(log n 1/T)。兩種熔體常數(shù)如下：序號ABTd11.631422921921.769469

45、0216解：根據(jù)公式: 對于熔體1：當(dāng) t=500C 時,當(dāng) t=700C 時,當(dāng) t=900C 時,當(dāng) t=1100C時,當(dāng) t=1350C 時,對于熔體2:當(dāng) t=500C 時,當(dāng) t=700C 時,T=500+273=773K,0.0013,2_T=700+273=973K,0.0010,1。酮二 1 631 + 9.2651。卻二 1 631 + 7.2401T=900+273=1173K,0.0008,T=1100+273=1373K,二2T=1350+273=1623K,二2_log? = 1.631+4229=6.0644229logs? = 1-631 + 0.0007,5.2

46、964229logs? = 1.631 + -0.0006,匚4.643log 1769 +T=500+273=773K, 0.0013,匚 一丄 10.189log 7 = 1.769+ 4690=T=700+273=973K, 一0.0010,.1 _ 7.964當(dāng) t=900C 時,-= log 7 = 1769 + T=900+273=1173K,0.0008,丨 .6.670當(dāng) t=1100C時,丄匸logs? = 1.769 + T=1100+273=1373K,二 0.0007,二5.823當(dāng) t=1350C 時,丄= log? = 1.769+4690=T=1350+273=1623K_0.0006,一一二 一一. 5.1024 IQI TMO K |熔體在1350500C間的粘度曲線94-10派來克斯（Pyrex ）玻璃的粘度在 1400C時是10 Pa - s,在 解：（1）粘性流動活化能是多少？ （2）為了易于成形，玻璃達(dá)到多高的溫度？13840C是 10 Pa - s。請回105Pas的粘度時約要解：（1）r）=術(shù)晦（篇）根據(jù)公式：1400C 時,9n =10 Pa - s, T=1400+273=1673K,840 C