無機材料科學基礎教程第二版課后答案(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 xAxO受溫度控制x=0～1有限固溶體間隙型間隙離子半徑小，晶體結構開放，空隙大YF3摻雜量固溶度，受溫度控制組分缺陷 30% ，Ca2+電價≠Zr4+電價2CaOCaO　摻雜量固溶度，受溫度控制　　非化學計量化合物陽離子缺位環境中氣氛性質和壓力變化變價元素氧化物在氧化氣氛中O2(g)→2Fe+ V+OO[h] [PO]陰離子間隙O2(g)→+U(2h)[] 陽離子間隙變價元素氧化物在還原氣氛中ZnO+2e′+O2(g)[]陰離子缺位OO→+2+O2(g)[ V] 。（a）判斷方程的合理性。（b）寫出每一方程對應的固溶式。解： 3MgO2+ +3OO （1）2MgO2+ +2OO （2）YF3Y +F+2FF （3）2YF32Y ++6FF （4）（a）書寫缺陷方程首先考慮電價平衡，如方程（1）和（4）。在不等價置換時，3Mg2+ →2Al3+ ；2Y3+ →3Ca2+。這樣即可寫出一組缺陷方程。其次考慮不等價離子等量置換，如方程（2）和（3）2Mg2+ →2Al3+ ；Y3+ →Ca2+。這樣又可寫出一組缺陷方程。在這兩組方程中，從結晶化學的晶體穩定性考慮，在離子晶體中除螢石型晶體結構可以產生間隙型固溶體以外，由于離子晶體中陰離子緊密堆積，間隙陰離子或陽離子都會破壞晶體的穩定性。因而間隙型缺陷在離子晶體中（除螢石型）較少見。上述四個方程以（2）和（3）較合理。當然正確的判斷必須用固溶體密度測定法來決定。（b）(1)(2) (3) (4) ，化學分析結果認為，%% Cr2O3。試寫出缺陷反應方程（置換型）及化學式。解：NiO和Cr2O3固溶入Al2O3的缺陷反應為：2NiO2+ +2OOCr2O3固溶體分子式為：Cr取1mol試樣為基準，則m＝ ； m＝ ； m＝1－－＝∵ 2NiO →2Al2 O3Cr2 O3 →Al2 O3∴取代前Al2O3所占晶格為：＋＋＝ (Al2O3)取代后各組分所占晶格分別為：Al2O3： molNiO： molCr2 O3： mol∴取代后，固溶體的分子式為： Al2O3 NiO Cr2 O3 ∴x=, Y==2－－=2－x－y=3－x ZnO是六方晶系，a=，c=，每個晶胞中含2個ZnO分子， g/cm3，求這兩種情況下各產生什么型式的固溶體？解：六方晶系的晶胞體積V===在兩種密度下晶胞的重量分別為W1=d1v=1023=1022(g)W2=d2v=1023=1022(g)理論上單位晶胞重W==(g)∴密度是d1時為間隙型固溶體，是d2時為置換型固溶體。、Al2O3和Cr2O3，其正、。Al2O3和Cr2O3形成連續固溶體。 (a) 這個結果可能嗎？為什么？ (b) 試預計，在MgO－Cr2O3系統中的固溶度是有限還是很大？為什么？解：（a）Al2O3與Cr2O3有可能形成連續固溶體。因為：①==10%＜15%②結構類型相同，均屬剛玉型結構。（b）對于MgO－Cr2O3系統，由于結構類型相差較大，前者為NaCl型，后者為剛玉型。雖然==%＜15%，也不可能形成完全互溶的固溶體，而只能是有限固溶。 Al2O3在MgO中將形成有限固溶體，在低共熔溫度1995℃時，約有18wt% Al2O3溶入MgO中，MgO單位晶胞尺寸減小。試預計下列情況下密度的變化。(a) Al3+為間隙離子， (b) Al3+為置換離子。解：(a) Al3+為間隙離子：缺陷反應為： （1）固溶式分子式： （2）（b）Al3+為置換離子：缺陷反應為：+ （3）固溶式分子式： （4）取100g試樣為基準：（為摩爾數）m＝＝＝ (m為摩爾數)mMgO＝＝＝∴MgO中固溶18%wt的Al2O3后的分子式為： MgO (5)（5） (6)由（6）式得x=（2）（4）式，對（a）有（b）設：固溶前后晶胞體積不變，則密度變化為： （，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。 YF3加入CaF2中形成固溶體，實驗測得固溶體的晶胞參數a=，測得固溶體密度ρ=，試計算說明固溶體的類型？（元素的相對原子質量：Y=；Ca=；F=）解：YF3加入CaF2的缺陷反應方程如下：YF3Y +F+2FF (1)2YF32Y +V +6FF (2)方程（1）和（2）的固溶式：(1)Ca1xYxF2+x (2) Ca(13/2x)YxF2按題意x=：..2；它們的密度分別設為ρ1和ρ2。CaF2是螢石型晶體，單位晶胞內含有4個螢石分子。ρ1==（g/cm3）ρ2==（g/cm3）由ρ1與ρ2計算值與實測密度ρ=， YF3加入CaF2中形成間隙型固溶體。第六章 熔體和非晶態固體 61 說明熔體中聚合物形成過程？ 答：聚合物的形成是以硅氧四面體為基礎單位，組成大小不同的聚合體。 可分為三個階段 初期：石英的分化； 中期：縮聚并伴隨變形； 后期：在一定時間和一定溫度下，聚合和解聚達到平衡。 62 簡述影響熔體粘度的因素？ 答：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，熔體粘度按指數關系遞增。 63 名詞解釋（并比較其異同） ⑴ 晶子學說和無規則網絡學說 ⑵ 單鍵強 ⑶ 分化和縮聚 ⑷ 網絡形成劑和網絡變性劑 答：⑴晶子學說：玻璃內部是由無數“晶子”組成，微晶子是帶有晶格變形的有序區域。它們分散在無定形介中質，晶子向無定形部分過渡是逐漸完成時，二者沒有明顯界限。 無規則網絡學說：凡是成為玻璃態的物質和相應的晶體結構一樣，也是由一個三度空間網絡所構成。這種網絡是由離子多面體（三角體或四面體）構筑起來的。晶體結構網是由多面體無數次有規律重復構成，而玻璃中結構多面體的重復沒有規律性。 ⑵單鍵強：單鍵強即為各種化合物分解能與該種化合物配位數的商。 ⑶分化過程：架狀[SiO4]斷裂稱為熔融石英的分化過程。 縮聚過程：分化過程產生的低聚化合物相互發生作用，形成級次較高的聚合物，次過程為縮聚過程。 ⑷網絡形成劑：正離子是網絡形成離子，對應氧化物能單獨形成玻璃。即凡氧化物的單鍵能/熔點﹥。 網絡變性劑：這類氧化物不能形成玻璃，但能改變網絡結構，從而使玻璃性質改變，即單鍵強/熔點﹤ 。 64 試用實驗方法鑒別晶體SiOSiO2玻璃、硅膠和SiO2熔體。它們的結構有什么不同？ 答：利用X—射線檢測。 晶體SiO2—質點在三維空間做有規律的排列，各向異性。 SiO2熔體—內部結構為架狀，近程有序，遠程無序。 SiO2玻璃—各向同性。 硅膠—疏松多孔。 65 玻璃的組成是13wt%Na2O、13wt%CaO、74wt%SiO2，計算橋氧分數？ 解： Na2O CaO SiO2 wt% 13 13 74 mol mol% R=(++ 2)/ = ∵Z=4 ∴X=2R﹣Z=2﹣4= Y=Z﹣X= 4﹣= 氧橋%=（+） =% 66 有兩種不同配比的玻璃，其組成如下： 序號 Na2O(wt%) Al2O3(wt%) SiO2(wt%) 1 8 12 80 2 12 8 80 試用玻璃結構參數說明兩種玻璃高溫下粘度的大小？ 解：對于1：Z=4 R1=O/Si= ∴ X1=2R1﹣4= Y1=Z﹣X1= 4﹣= 對于2：R2= O/Si= ∴ X2=2R2﹣4= Y2= 4﹣X2= 4﹣= ∵Y1﹤Y2 ∴序號1的玻璃組成的粘度比序號2的玻璃小。 67 在SiO2中應加入多少Na2O，使玻璃的O/Si=，此時析晶能力是增強還是削弱？ 解：設加入x mol的Na2O，而SiO2的量為y mol。 則O/Si=（x+2y）/ y = ∴x=y/2 即二者的物質量比為1:2時，O/Si=。 因為O/Si增加了，粘度下降，析晶能力增強了。 68 有一種平板玻璃組成為14Na2O—13CaO—73SiO2（wt%重量百分比），, 計算玻璃的原子堆積系數（AFP）為多少？計算該玻璃的結構參數值？ 解：該玻璃的平均分子量 GM=62+56+= 在1197。3中原子數為 n=ρNo/GM=10241023/ = 在1197。3原子所占體積 V=4/3π[2+++（++2）] = ∴ AFP= 結構參數： Na2O CaO SiO2 wt% 14 13 73 mol mol% R=(++ 2)/ = ∵Z=4 ∴X=2R﹣Z=2﹣4= Y=Z﹣X= 4﹣= 69 試比較硅酸鹽玻璃與硼酸鹽玻璃在結構與性能上的差異。 答：結構差異：硅酸鹽玻璃：石英玻璃是硅酸鹽玻璃的基礎。石英玻璃是硅氧四面體[SiO4]以頂角相連而組成的三維架狀結構。由于Si—O—Si鍵角變動范圍大，使石英玻璃中[SiO4]四面體排列成無規則網絡結構。SiO2是硅酸鹽玻璃中的主要氧化物。 硼酸鹽玻璃：B和O交替排列的平面六角環的B—O集團是硼酸鹽玻璃的重要基元，這些環通過B—O—B鏈連成三維網絡。B2O3是網絡形成劑。這種連環結構與石英玻璃硅氧四面體的不規則網絡不同，任何O—B三角體的周圍空間并不完全被臨接的三角體所填充，兩個原子接近的可能性較小。 性能差異：硅酸鹽玻璃：試劑和氣體介質化學穩定性好、硬度高、生產方法簡單等優點。 硼酸鹽玻璃：硼酸鹽玻璃有某些優異的特性。例如：硼酐是唯一能用以制造有吸收慢中子的氧化物玻璃；氧化硼玻璃的轉化溫度比硅酸鹽玻璃低得多；硼對中子射線的靈敏度高，硼酸鹽玻璃作為原子反應堆的窗口對材料起屏蔽中子射線的作用。 610 解釋硼酸鹽玻璃的硼反常現象？ 答：硼反常現象：隨著Na2O（R2O）含量的增加，橋氧數增大，熱膨脹系數逐漸下降。當Na2O含量達到15%—16%時，橋氧又開始減少，熱膨脹系數重新上升，這種反常現象就是硼反常現象。 硼反常現象原因：當數量不多的堿金屬氧化物同B2O3一起熔融時，堿金屬所提供的氧不像熔融SiO2玻璃中作為非橋氧出現在結構中，而是使硼轉變為由橋氧組成的硼氧四面體。致使B2O3玻璃從原來二度空間層狀結構部分轉變為三度空間的架狀結構，從而加強了網絡結構，并使玻璃的各種物理性能變好。這與相同條件下的硅酸鹽玻璃性能隨堿金屬或堿土金屬加入量的變化規律相反。 第七章 固體表面與界面 71 分析說明：焊接、燒結、粘附接合和玻璃金屬封接的作用原理？ 72 MgO—Al2O3—SiO2系統的低共熔物放在Si3N4 陶瓷片上，在低共熔溫度下，液相的表面張力為900103N/m，液體與固體的界面能為600103N/m，176。， ⑴