無機材料科學(xué)基礎(chǔ)

1、第2章結(jié)晶結(jié)構(gòu)一、名詞解釋晶體：晶體是內(nèi)部質(zhì)點在三維空間內(nèi)周期性重復(fù)排列，具有格子構(gòu)造的固體空間點陣與晶胞：空間點陣是幾何點在三維空間內(nèi)周期性的重復(fù)排列晶胞：反應(yīng)晶體周期性和對稱性的最小單元配位數(shù)與配位多面體：化合物中中心原子周圍的配位原子個數(shù)成配位關(guān)系的原子或離子連線所構(gòu)成的幾何多面體離子極化：在離子化合物中，正、負(fù)離子的電子云分布在對方離子的電場作用下，發(fā)生變形的現(xiàn)象同質(zhì)多晶與類質(zhì)同晶：同一物質(zhì)在不同的熱力學(xué)條件下具有不同的晶體結(jié)構(gòu)化學(xué)成分相類似物質(zhì)的在相同的熱力學(xué)條件下具有相同的晶體結(jié)構(gòu)正尖晶石與反尖晶石：正尖晶石是指2價陽離子全部填充于四面體空隙中，3價陽離子全部填充于八面體空隙 中。

2、反尖晶石是指2價陽離子全部填充于八面體空隙中，3價陽離子一半填充于八面體空隙 中，一半填充于四面體空隙。二、填空與選擇 晶體的基本性質(zhì)有五種：對稱性.異相性.均一性,自限性 和穩(wěn)定性（最 小內(nèi)能性）。空間點陣是由在空間作有規(guī)律的重復(fù)排列。（A原子B離子C幾何點。分子）在等大球體的最緊密堆積中有面心立方密堆積和六方密堆積二種排列方式.前 者的堆積方式是 以（111）面進行堆積.后者的堆積方式是 以（001）面進行堆 積。如晶體按立方緊密堆積，單位晶胞中原子的個數(shù)為土，八面體空隙數(shù)為4,四面 體空隙數(shù)為里；如按六方緊密堆積，單位晶胞中原子的個數(shù)為魚，八面體空隙數(shù)為 M,四面體空隙數(shù)為_1;如按體心

3、立方近似密堆積，單位晶胞中原子的個數(shù)為4, 八面體空隙數(shù)為_1，四面體空隙數(shù)為_史。等徑球體最緊密堆積的空隙有兩種：四面體空隙和八面體空隙。一個球的周圍有 8個四面體空隙、6 個八面體空隙;n個等徑球體做最緊密堆積時可形成 2n 個 四面體空隙、n個八面體空隙。不等徑球體進行堆積時,大球做最緊密堆積或 近似密堆積,小球填充于空隙中。在離子晶體中，配置于正離子周圍的負(fù)離子數(shù)（即負(fù)離子配位數(shù)），決定于正、負(fù)離 子半徑比（r/r_）。若某離子化合物的r+/r_值為0.564，其負(fù)離子配位數(shù)應(yīng)是C_。（A 3 B 4 C 6 D 8）7.結(jié)構(gòu)類型Si04共用02-數(shù)形狀絡(luò)陰離子Si:0實例島狀0正四面

4、體Si042-1: 4鎂橄欖石組群狀122雙四面體三節(jié)環(huán)四節(jié)環(huán)Si 06-7Si 02-9Si40128-2： 71: 31: 3硅鈣石2六節(jié)環(huán)Si601812-1: 3綠寶石鏈狀2單鏈Si 04-2 61: 3透輝石3雙鏈Si40116-4: 11透閃石層狀3平面層Si40104-4: 10高嶺土架狀4骨架結(jié)構(gòu)Si02A1Si308-1 : 2A1Si0-4石英8.在硅酸鹽結(jié)構(gòu)分類中，下列礦物CaA12Si208:CaMgSi206 : B -Ca2Si04 和Mg3Si401o(0H)2,分別屬于_架狀 ：鏈狀：一島狀:和層狀四類。在負(fù)離子作立方密堆的晶體中，為獲得穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，正離子將

5、所有八面體空隙位置填滿的晶體有NaCl ，所有四面體空隙均填滿的晶體有Na2O，填滿一半八面體空 隙的晶體有 TiO2，填滿一半四面體空隙的晶體有ZnS。在尖晶石（MgAl2O4）型晶體中，02-作面心立方最緊密堆積，Mg2+填入了里；金紅石 晶體中，所有02-作稍有變形的六方密堆，Ti4+填充了n（A全部四面體空隙；B全部 八面體空隙；C四面體空隙的半數(shù)；D八面體空隙的半數(shù)；E四面體空隙的八分之一；F 八面體空隙的八分之一）構(gòu)成層狀硅酸鹽的Si205片中的Si4+，通常被一定數(shù)量的A13+所取代，為滿足鮑林 第二規(guī)則（靜電價規(guī)則），在層狀結(jié)構(gòu)中結(jié)合有0H）-離子和各種二價正離子或三價正 離子

6、。這種以A13+取代Si4+的現(xiàn)象，稱為L（ A同質(zhì)多晶（同質(zhì)多象）；B類質(zhì)同 晶；C有序-無序轉(zhuǎn)化；D同晶置換（同晶取代）12.高嶺石與蒙脫石屬于層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)，前者的結(jié)構(gòu)特征是C_,后者的結(jié)構(gòu)特征是業(yè)。（A二層型三八面體結(jié)構(gòu)；B三層型三八面體結(jié)構(gòu)；C二層型二八面體結(jié)構(gòu)；D三層型二 八面體結(jié)構(gòu)）滑石&4。10(叫（0H）24 （二層二八）(Si0) Al- (Si0) Al氫鍵白云母KAl2AlSi3O10(OH(OH4八)（三層二(SiO)Al (SiO)-Mg-(SiO)Al (SiO)K-O鍵蒙脫石Al2Si4O10OH)8n(H20)（OH）28+1/26=4; Z（Cl）=1+1/

7、442=4; Z=4 四面體數(shù)量：8 (1/4, 1/4, 1/4);(1/4, 1/4, 3/4);(1/4, 3/4, 1/4);(1/4, 3/4, 3/4);(3/4, 1/4, 1/4);(3/4, 1/4, 3/4);(3/4, 3/4, 1/4);(3/4, 3/4, 3/4)各有一個四面體空 隙八面體數(shù)量：4 (0,0.5,0)組成1個八面體空隙；(0.5, 0, 0)組 成1個八面體空隙；(0,0,0.5)組成1個八面體空隙；(0.5;0.5; 0.5)組成1個八面體空隙六、計算體心立方、0面心立方、密排六方晶胞中的原子數(shù)、配位數(shù)、致密度。Z=2CN=83 A 4 R ； A

8、 4 ； 3 RV A A 364g 3 R 3 ； V2 ；n R 3廠 68 %Z=4CN=12* 2 A 4R ； A 4 2 2 RV A A 3162R3；V4R374 %Z=6CN=12頂上面積s 2 R二R 2 R 266 3 R 2cos 30X；X 廣 3Gh 2 V 4R 2 -( 2 3 3 R ) 24 3 6 RV /V74_%.A.七、計算立方體配位、八面體配位、四面體配位、三角形配位的臨界半徑比。wLLL2*3R2(RR )；(f3-1) R R ；(3-1) R /R 0.73222R 2(R R )；(2-1) R R ；(寸2-1) R /R 0.414/、

9、此題參考習(xí)題孵25研2R (sii120) (R R )/sin(30)；0.155 R /R八、丁四具有螢石結(jié)構(gòu)，Th4+離子半徑為0.100nm。O2-離子半徑為0.140nm。試問（a） 實際結(jié)構(gòu)中的Th4+正離子配位數(shù)與預(yù)計配位數(shù)是否一致？（b）結(jié)構(gòu)是否滿足鮑林規(guī)則？R+/R-=0.4140.732; RTh4+/RO2-=0.714;預(yù)計應(yīng)當(dāng)為六配位，實際為八配位， 不一致，不滿足鮑林第一規(guī)則。S=4/8=0.5; ZS=0.5*4=2,滿足鮑林規(guī)則九、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？最緊密堆積原理是

10、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，而不能用最密堆積原理來衡量原子晶體的穩(wěn)定性金剛石結(jié)構(gòu)中配位數(shù)為4遠(yuǎn)低于面心立方密堆積中的12配位數(shù)，故空間利用率很低，但是金剛石結(jié)構(gòu)中由于通過共價鍵并且以共頂?shù)姆绞竭M行堆積，故其結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定。十、（a）NaCl屬于何種結(jié)構(gòu)？畫圖說明Na+離子在結(jié)構(gòu)中的位置？ Cl-離子在什么位置？ 正、負(fù)離子配位數(shù)如何？NaCl屬于面心立方結(jié)構(gòu)，Na離子占據(jù)面心立方的頂點、面心位置配位數(shù)為6Cl離子占據(jù)所有的八面體空隙，配位數(shù)也為6（b）CsCl屬于何種結(jié)構(gòu)？畫圖說明Cs+離子在結(jié)構(gòu)中的位置？ Cl-離子在什么位置？正

11、、 負(fù)離子配位數(shù)如何？CsCl屬于簡單立方結(jié)構(gòu)Cl離子占據(jù)立方體頂點配位數(shù)為8； Cs離子占據(jù)立方體 空隙，配位數(shù)也為8十一、圖2-1是Na2O的理想晶胞結(jié)構(gòu)示意圖，試回答：（a）晶胞分子數(shù)是多少；（b） 結(jié)構(gòu)中何種離子做何種密堆積；何種離子填充何種空隙，所占比例是多少；）結(jié)構(gòu)中 各離子的配位數(shù)為多少，寫出其配位多面體；（d）計算說明O2-的電價是否飽和。（a） ZO=1/8 8+1/2 6=4;ZNa=1 8=8 ； Z=4座* （b） O離子面心立方堆積，Na離子填充于所有的四面體空隙即100% 豪必（c） 4;第。=8匕L（d） S=1/ 4；ZS= （1/4）8=2 電價飽和十二、根據(jù)

12、CaTiO3晶胞圖（見圖2-2）回答下列問題：（a）晶面BCGF、DEG的晶面指數(shù); 晶向DF、HA的晶向指數(shù)；（b）結(jié)構(gòu)中各離子的配位數(shù)為多少，寫出其配位多面體；（c） 晶胞分子數(shù)是多少？何種離子添何種空隙，空隙利用率是多少？（d）計算說明O2-的電價 是否飽和。（e）結(jié)構(gòu)中是否存在TiO32-離子，為什么？(010)(111) 111101CNt.=6 (八面體)；CNO=6 (八面體)；CN*=12Z=1； Ti離子填入八面體空隙25%&(4/6)2+(2/12)4=2 ；飽和（e）不存在，因為，不存在，因為是復(fù)合氧化合物十三、在螢石晶體中Ca2+半徑為0.112nm，F(xiàn)-半徑為0.13

13、1nm，（a）求螢石晶體中離孑堆積系數(shù)？（b）螢石晶體a = 0.547nm，求螢石的密度？（a）通過計算配位四面體棱長=0.397；正方體棱長為0.56； V=4x 4/3nR，）(b)mM nN0V(b)mM nN0V4衛(wèi)6.023810233.17g/cm3V0.54710-7 3十四、Al2O3 %iO2如2O和Na2O，l2O3 -SiO2是什么物質(zhì)？都屬于何種硅酸鹽結(jié)構(gòu)類型？分別寫出無機絡(luò)鹽形式?；邘X石白云母蒙脫石MglSI.OjOH),A/I.OMHKAl2AlSI3O10(OH)2入八卜卬湛伽據(jù)他。）K正長石Ca 斜長石Na斜長石Ba正長石KAlSI3O8CaAl2SI2O

14、8NaAlSI3O8BaAl2SI2O8AlO電SiO電HO=AlSiOH=Al Si O (OH)；即為高嶺石；屬于層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)2 32222 9 444 108NO AlO 6SiO=NaAlSiO6=NaAlSiOl；即為Na長石；屬于架狀硅酸鹽結(jié)構(gòu) 22 32226 163 8卜五、堇青石與綠寶石具有相同的結(jié)構(gòu)，分析其有顯著的離子電導(dǎo)，較小的熱膨脹系數(shù)的原因。綠寶石Be3Al2Si6O18中有電價低，半徑小的離子存在時，會表現(xiàn)出顯著的離子電導(dǎo)， 由于結(jié)構(gòu)中有較大的空腔，故具有較小的熱膨脹系數(shù)而堇青石與綠寶石的結(jié)構(gòu)相同，但是由于六節(jié)環(huán)中硅粒子被鋁離子替代因而介電性有明 顯的提升十六、什

15、么叫陽離子交換？從結(jié)構(gòu)上說明高嶺石、蒙脫石陽離子交換容量差異的原因?；?4。10(叫（OH）24八）（二層二(SiO) Al- (SiO) Al氫鍵白云母KAl2AlSi3O10(OH)2（OH）24八）（三層二(SiO)Al (SiO)-Mg-(SiO)Al (SiO)K-O鍵蒙脫石林皿小(H20)（OH）24八）（三層二(SiO) Al (SiO) - (SiO) Al (SiO)分子間 力陽離子交換:膠體吸附的陽離子與周圍溶液中的陽離子進行等當(dāng)量代換 高嶺石分子之間以氫鍵相連，結(jié)合鍵較強，不易同晶取代和陽離子交換 蒙脫石分子之間以分子間力相連，結(jié)合鍵較弱，容易發(fā)生同晶取代和陽離子交換十七、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)化溫度高得多？不同系列變體之間重鍵型轉(zhuǎn)變，而同系列變體之間的轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩赞D(zhuǎn)變，所需的能量 較前者低，故前者轉(zhuǎn)化溫度比后者轉(zhuǎn)化溫度高的多（Ill）晶面的原子排布以及