无机材料科学基础习题与解答完整版

固溶体分子式为:

取1mol试样为基准,则 m

=0.005 ; m

Cr

=1-0.005-0.0002=0.9948

=0.0002 ; m

∵ 2NiO →2Al2 O3 Cr2 O3 →Al2 O3

∴取代前Al2O3所占晶格为:

0.9948+0.005/2+0.0002=0.9975mol (Al2O3) 取代后各组分所占晶格分别为: Al2O3:

mol

NiO: mol

Cr2 O3: mol

∴取代后,固溶体的分子式为:

0.9973 Al2O3·0.005 NiO ·0.0002 Cr2 O3 或Al1.9946Ni 0.005Cr0.0004 O2.9975 ∴x=0.005, Y=0.0004

1.9946=2-0.005-0.0004=2-x-y 2.9975=3-

x 5.6 ZnO是六方晶系,a=0.3242nm,c=0.5195nm,每个晶胞中含2个ZnO分子,测得晶体密度分别为5.74,5.606 g/cm3,求这两种情况下各产生什么型式的固溶体?

解:六方晶系的晶胞体积 V=

=

=4.73

cm3

在两种密度下晶胞的重量分别为

W1=d1v=5.74×4.73×10-23=2.72×10-22(g) W2=d2v=5.606×4.73×10-23=2.65×10-22(g) 理论上单位晶胞重 W==2.69

(g)

∴密度是d1时为间隙型固溶体,是d2时为置换型固溶体。

5.7对于MgO、Al2O3和Cr2O3,其正、负离子半径比分别为0.47、0.36和0.40。Al2O3和Cr2O3形成连续固溶体。 (a) 这个结果可能吗?为什么? (b) 试预计,在MgO-Cr2O3系统中的固溶度是有限还是很大?为什么? 解:(a)Al2O3与Cr2O3有可能形成连续固溶体。因为: ①

=

=10%<15%

②结构类型相同,均属刚玉型结构。

(b)对于MgO-Cr2O3系统,由于结构类型相差较大,前者为NaCl型,后者为刚玉型。虽然

=

=14.89%<15%,也不可能形成完全互溶的固溶体,

而只能是有限固溶。 5.8 Al2O3在MgO中将形成有限固溶体,在低共熔温度1995℃时,约有18wt% Al2O3溶入MgO中,MgO单位晶胞尺寸减小。试预计下列情况下密度的变化。(a) Al3+为间隙离子, (b) Al3+为置换离子。

3+

解:(a) Al为间隙离子: 缺陷反应为:

固溶式分子式:

(b)Al3+为置换离子: 缺陷反应为:

+

(2)

(1)

(3)

固溶式分子式: (4) 取100g试样为基准:(为摩尔数)

m===0.176 (m为摩尔数)

mMgO===2.035

∴MgO中固溶18%wt的Al2O3后的分子式为: 2.035 MgO·0.176 Al2O3或Mg2.035Al0.352O2.563 (5) (5)式各项除以2.563得Mg0.794Al0.137O (6) 由(6)式得x=0.137代入(2)(4)式, 对(a)有即Mg0.794Al0.137

(b)有Mg0.794Al0.137

O

O

设:固溶前后晶胞体积不变,则密度变化为:

分别代表固溶前后密度)

所以,固溶后的密度小于固溶前的密度。 5.9用0.2mol YF3加入CaF2中形成固溶体,实验测得固溶体的晶胞参数a=0.55nm,测得固溶体密度ρ=3.64g/cm3,试计算说明固溶体的类型?(元素的相对原子质量:Y=88.90;Ca=40.08;F=19.00) 解:YF3加入CaF2的缺陷反应方程如下: YF32YF3

Y2Y

+F+2FF (1) +V

+6FF (2)

方程(1)和(2)的固溶式:(1)Ca1-xYxF2+x (2) Ca(1-3/2x)YxF2

按题意x=0.2代入上述固溶式得:间隙型固溶体分子式为Ca0.8Y0.2F2..2

置换型固溶体分子式为Ca0.7Y0.2F2;它们的密度分别设为ρ1和ρ2。CaF2是萤石型晶体,单位晶胞内含有4个萤石分子。 ρ1=

=3.659(g/cm3)

ρ2==3.346(g/cm3)

由ρ1与ρ2计算值与实测密度ρ=3.64g/cm3比较,ρ1值接近3.64g/cm3,因此0.2mol YF3加入CaF2中形成间隙型固溶体。

第六章 熔体和非晶态固体

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体。

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?

答:影响熔体粘度的主要因素:温度和熔体的组成。

碱性氧化物含量增加,剧烈降低粘度。 随温度降低,熔体粘度按指数关系递增。

6-3 名词解释(并比较其异同) ⑴ 晶子学说和无规则网络学说 ⑵ 单键强 ⑶ 分化和缩聚

⑷ 网络形成剂和网络变性剂

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/mol.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—内部结构为架状,近程有序,远程无序。

SiO2玻璃—各向同性。 硅胶—疏松多孔。

6-5 玻璃的组成是13wt%Na2O、13wtêO、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+73.6 ×2)/ 73.6=2.39

∵Z=4 ∴X=2R﹣Z=2.39×2﹣4=0.72 Y=Z﹣X= 4﹣0.72=3.28

氧桥%=3.28/(3.28×0.5+0.72) =69.5%

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