长春理工材料科学基础习题答案.docx

1.为什么没有五次轴和六次以上的轴？因为五次和；数；每个C原子周围有4个碳-碳原子之间形成共价键，所；二价阳离子A填充于四面体空隙，三价阳离子B填充于；4.萤石、反萤石；萤石：阳离子面心立方堆积，阴离子填充在阳离子构成；反萤石：结构与萤石完全相同，只是阴、阳离子的位置；2-二八面体：八面体以共棱方式相连，但八面体中的；2-三八面体：八面体以共棱方式相连，但1. 为什么没有五次轴和六次以上的轴？ 因为五次和高于六次的称轴的图形出现了中空的部位，这不符合晶体内部质点排列的结构特征，因而不可能存在。 另外，从基转角来看，只有等于360、180、120、90、60、0才能整除360，即n=360/为整数。 正五边形上两平行行列的结点间距不等违反了空间格子规律，所以无五次轴。 2. 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%？每个C原子周围有4个碳-碳原子之间形成共价键，所以配位数是4，共价键有方向性和饱和性，1个C与4个C形成价键没有达到紧密堆积，结构内有空隙，堆积密度仅为34%而不是74.05%。 3. 正尖晶石、反尖晶石Page39二价阳离子A填充于四面体空隙，三价阳离子B填充于八面体空隙的叫正尖晶石。(A)B2O4 二价阳离子A分布在八面体空隙中，而三价阳离子B一半填充四面体空隙，另一半在八面体空隙中称为反尖晶石。(B)AB O44. 萤石、反萤石萤石：阳离子面心立方堆积，阴离子填充在阳离子构成的四面体空隙中。CaF反萤石：结构与萤石完全相同，只是阴、阳离子的位置完全互换的晶体。-碱金属氧化物 5. 二八面体、三八面体2-二八面体：八面体以共棱方式相连，但八面体中的O离子只被其他两个阳离子所共用。（2/3的八面体空隙被阳离子所填充）2-三八面体：八面体以共棱方式相连，但八面体中的O离子被其他三个阳离子所共用。（全部的八面体空隙被阳离子所填充）6. 桥氧、非桥氧4+桥氧：在有限四面体群中连接两个Si离子的氧。由于这种氧的电价已经饱和，一般不再与其他正离子配位，故桥氧也称非活性氧。4+非桥氧：在有限四面体群中只有一侧与Si离子相近的氧。另一侧可与其他阳离子配位，故非桥氧亦称活性氧。 7. 架状结构、层状结构、岛状结构Page44 硅氧四面体之间通过四个顶角的桥氧连起来，向三维空间无限发展的骨架状结构称为架状结构。 SiO4之间通过三个桥氧相连，在二维平面无限延伸构成的硅氧四面体层称层状结构。 在硅酸盐晶体结构中，SiO4以孤立状态存在，SiO4之间通过其它阳离子连接起来，这种结构称为岛状结构。 8. 位移性转变、重建性转变Page50；Page67（旧书）位移性转变：不打开任何键，不改变原子最临近的配位数，仅仅使结构发生畸变，原子位置发生少许位移，所需的能量低，转变迅速快。是高低温转变，可逆转变。重建性转变：破坏原子间化学键，改变配位数，是晶体结构完全改变原样的一种多晶转变，所需能量高，转变速度慢，有些是不可逆转变。9. 解释在AX型晶体结构中，NaCl型结构最多。在AX型晶体结构中一般阴离子X的半径较大，而阳离子A半径较小，所以阴离子做紧密堆积，阳离子填充在其间隙中。大多数AX型化合物的r+/r-比在0.414-0.732之间，应填充在八面体空隙中，即具有NaCl型结构，并且NaCl型晶体结构的对称性较高，所以AX型晶体结构中NaCl型结构最多。 10. TiO2的性质及应用。Page50（旧书） 在光学性质上具有很高的折射率。 在电学性质上具有高的介电系数。因此成为制备光学玻璃的原料，也是无线电陶瓷中需要的晶相。 TiO2的纳米和介孔材料有催化净化效果，用于光催化下的净化功能。 11. 同质多晶和类质同晶现象？ 把同一化学组成在不同外界条件下（温度、压力、PH等），结晶成为两种以上不同结构的晶体的这一现象称为同质多晶或同质多象。由此而产生的化学组成相同、结构不同的晶体称为变体。 化学组成相似或相近，在相同的热力学条件下形成的晶体具有相同的结构，这种现象称为类质同晶现象。 12. 分析说明高岭石、蒙脱石结构特点及其结构差异，并说明性质和结构的相关性。高岭石：1:1层状结构，有解理性，层间为氢键。因此可交换的阳离子容量小。水分子不易进入单网层之间，晶体不会因为水含量增加而膨胀，故具有很好的可塑性。蒙脱石：2:1层状结构，有解理性，层间为范氏键，易吸水，有膨润性。具有很高的阳离子交换能力。对Na、Ca、Mg、Al、H等正离子均有强的交换性。13. 用晶体结构理论解释水泥原料石灰石中方解石的结构。Page35水泥材料石灰石中方解石的结构可看成变了形的NaCl结构形式。只要将NaCl的三次轴竖立并加压使棱的夹角由2+2-2-4+2-90变至10155。然后以Ca代替Na，CO3代替Cl。CO3中的C在中心，三个O围绕C在一平面上成一等边三角2+形。Ca的配位数为6。14. 表征硅酸盐晶体的化学式方法有几种，分别是什么？并进行比较。 表征硅酸盐晶体的化学式方法有两种：一种是所谓的氧化物法，即把构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定比例和顺序全部写出来，先是+1价碱金属氧化物，其次是+2价，+3价的金属氧化物，最后是SiO2。例如，钾长石的化学式写成K2OAl2O36SiO2；另一种是无机络盐表示法，是把构成硅酸盐晶体所有离子按照一定比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子3+4+2-用中括号括起来即可，先是+1价，+2价的金属离子，其次是Al和Si的离子，最后是O或OH离子，如钾长石为KAlSi3O8。比较：氧化物表示法的优点在于一目了然地反映出晶体的化学组成，可以按此组成配料来进行晶体的实验室合成。无机络盐表示法则可以比较直观地反映出晶体所属的结构类型，进而可对晶体结构及性质做出一定程度的预测。两种表示方法之间可以相互转换。15. 影响形成置换固溶体的因素有哪些？Page73 离子尺寸因素的影响。若以R1和R2分别表示溶剂或溶质离子的半径，则|R1?R2| R11,所以Al2O3是网络形成离子， R=(20+10+3*10+2*60)/(10*2+60)=2.25， X=2R-4=2*2.25-4=0.5，Y=4-X=4-0.5=3.52.判断（R2O+RO）/(Al2O3+B2O3)=(10+10)/(10+10)=1, 所以Al2O3、B2O3是网络形成离子，R=(60*2+10*3+10+10+10*3)/(60+10*2+10*2)=2, X=2R-4=2*2-4=0，Y=4-X=4-0=4 因为第一种玻璃的Y值大，所以第一种玻璃的黏度在高温下大。 26. 有两种玻璃组成（mol%）如下：序号 1 2 Na2O 20 10 CaO 10 Al2O3 10 18 SiO2 60 72 试计算玻璃的结构参数，并比较两种玻璃的高温下粘度何者大？ 27. 硅酸盐晶体与硅酸盐玻璃在结构上的区别？在硅酸盐晶体中，SiO4骨架按一定的对称规律有序排列；在硅酸盐玻璃中SiO4骨架的排列是无序的。在硅酸盐晶体中，SiO4骨架外的网络外离子占据了点阵中的一定位置；而在硅酸盐玻璃中，网络变性离子统计地分布在SiO4骨架的空腔内，使氧的负电荷得以平衡。在硅酸盐晶体中，只有当外来阳离子半径与晶体中的阳离子半径相近时，才能发生同晶置换；而在硅酸盐玻璃中，骨架外阳离子不论半径是否相近，均能发生置换，只要求遵守静电价规则。 在晶体中，（如这种晶体不是固溶体），原始组分（氧化物）相互间有简单的固定比例，即符合化学计量；而在玻璃中氧化物可以以任意的比例混合，即不符合化学计量。 28. 网络形成体、网络变性体。Page95网络形成体：氧化物都能形成四面体配位，成为网络的基本结构单元，这类氧化物能单独形成玻璃。（正离子称为网络形成离子），其单键强度大于335KJ/mol网络变性体：不能满足上述条件，这类氧化物不能形成玻璃，只能作为网络改变体参加玻璃结构，属于网络变形体。（正离子称为网络变性离子），其单键强度小于250KJ/mol29. 名词解释：范德华力；离子晶体表面双电层；润湿与粘附；离子交换与离子吸附；粘土的电动电位与热力学电位。范德华力：一般是指固体表面与被吸附质点（例如气体分子）之间相互作用力。离子晶体表面双电层：处于表面层的负离子只受到上下和内侧正离子的作用，而外侧是不饱和的。电子云将因被拉向内侧的正离子一方而变形，使该负离子诱导成偶极子，这样就降低了晶体表面的负电场。接着，表面层离子开始重排以使之在能量上趋于稳定。为此，表面的负离子被推向外侧，正离子被拉向内侧从而形成了表面双电层。润湿与粘附：润湿：固体与液体接触后，体系（固体+液体）的吉布斯自由焓降低就称湿润。粘附：通常两个固体表面直接接触，通过固体表面之间的吸引力或通过固体表面之间液体粘结把两固体紧密地连接在一起的作用，称为粘附。 离子交换与离子吸附：粘土颗粒由于破键、晶格内类质同晶替代和吸附在黏土表面腐殖质解离等原因而带负电。因此，它必须要吸附介质中的阳离子来中和其所带的负电荷，这就是黏土的吸附性质，被吸附的阳离子又能被溶液中其它浓度大、价数高的阳离子所交换，这就是黏土阳离子的交换性质。离子吸附是黏土胶体与离子之间相互作用，离子交换离子之间相互作用。黏土的电动电位和热力学电位：电动电位：因为吸附层与扩散层各带有相反的电荷，所以相对移动时两者之间就存在着电位差，这个电位差称电动电位。热力学电位：黏土质点表面与扩散层之间的总电位差称为热力学电位差。 30. 何谓表面张力和表面能？对固体和液体有何不同？Page111表面能即将表面增大一个单位所需作的功。表面张力即将表面增大一个单位长度所需要的力对于液体表面这两个概念常交替使用：单位面积的能量和单位长度的力是等因次的（J/m=Nm/m=N/m）,因此液体的表面张力和表面能在数值上是相等的。在液体中，原子和原子团易于移动，拉伸表面时，液体原子间距离并不改变，附加原子几乎立即迁移到表面。所以，与最初状态相比表面结构保持不变。对于固体，仅仅当缓慢的扩散过程引起表面或界面面积发生变化时，如晶粒生长过程中晶界运动时，上述两个量在数值上相等。如果引起表面变形过程比原子迁移速率快得多，则表面结构受拉伸或压缩而与正常结构不同，在这种情况下，表面能与表面张力在数值上不相等，这两个概念不能够交替使用。 31. 什么是弯曲表面的附加压力，其正负根据什么划分？Page113弯曲表面的附加压力：由于液体表面张力的存在，使弯曲表面上产生一个附加压力。课件对于凸液面整个截面周界线上的表面张力，其合力不等于零。方向指向液体内部的液体承受大于表面处的压力，表面内外的压力差值P，称为附加压力。1、对于平面，沿四周表面张力抵消，液体内外压力相等。 P=0。2、对于凸面，液面上所受压力为P=Po+P，这个附加压力P 是正值。 3、对于凹面，液面上所受压力为P=Po-P，这个附加压力P 是负值。32. 什么是吸附和粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，用锉刀除去表面层，可使焊接更牢固，请解释这种现象。 吸附：一种物质的原子或分子附着在另一物质表面的现象。粘附：通常两个固体表面直接接触，通过固体表面之间的吸引力或通过固体表面之间液体粘结把两固体紧密地连接在一起的作用，称为粘附。解释：如若固体表面吸附有气体（或蒸气）而形成吸附膜，那么会明显减弱甚至完全破坏粘附性能。因此，用焊锡焊东西时，要清洁表面，除去吸附膜，结合强度提高。33. 试解释黏土结构水、结合水、自由水的区别，分析后两种水在胶团中的作用范围及其对泥浆流动性和泥团可塑性的影响。结构水：以OH形式存在于黏土晶格中，其脱水温度约为400600度，随黏土种类不同而不同。结合水：吸附在黏土矿物层间，约在100200度的较低温度下即可脱去。又分为牢固结合水,疏松结合水。牢固结合水：它是接近粘土表面的有规则排列的水层,其间厚度为310个水分子厚,而且性质也不同于普通水,完全定向排列,3与胶核形成一个整体,在介质中一起移动。其密度为1.281.48Kg/m冰点低也称非液态吸附水。疏松结合水：在牢固结合水周围一部分定向程度较差的水系统，从规则排列过渡到不规则排列水层。起可塑性作用，含量越多，可塑性越好。自由水：在疏松结合水以外的水为自由水，即最外面的普通水层，也称流动水层，起、润滑作用，泥料开始流动。含量越多，流动性越好34. 影响黏土的可塑性的因素有哪些？生产上可以采用什么措施来提高或降低黏土的可塑性以满足成型工艺的需要？ 含水量的影响：可塑性只发生在某一最适宜水量范围，水分过多或过少都会使泥料的流动特性发生变化。故生产上可控制水量调节可塑性。 电解质的影响：加入电解质会改变黏土粒子吸附层中的吸附阳离子，因而颗粒表面形成的水层厚度也随之变化，并改变其可塑性。 颗粒大小和形状的影响：可塑性与颗粒间接触点的数目和类型有关。 黏土矿物组成的影响：黏土矿物组成不同比表面积相差很大，反应毛细管力不同。比表面积大毛细管力大可塑性高。 泥料处理工艺的影响：泥料经真空排泥或一定时间陈腐可有效提高可塑性。 腐殖质含量、添加塑化剂的影响：一般适宜腐殖质含量会提高可塑性，添加塑化剂和人工提高可塑性。 35. 相具有的特点。相物理性质和化学性质完全相同且均匀的部分。特点：相与相之间有分界面，可用机械方法将它们分开；系统中存在的相可以是稳定的、亚稳或不稳定的；系统在某一热力学条件下，只有当能量最小值的相才是最稳定的；系统的热力学条件发生改变时，自由能会发生变化，相的结构也相应发生变化。36. 在硅砖生产中如何促使介稳态转变为稳定态（如何促使介稳的-方石英转变为稳定态的-鳞石英？）Page164生产上一般是加入少量氧化铁和氧化钙作为矿化剂。这些氧化物在1000左右可产生一定量的液相，-石英和-方石英在此液相中的溶解度大，而-磷石英在其中的溶解度小，因而，-石英和-方石英不断融入液相，而-磷石英则不断从液相析出。一定量液相的生成，还可以缓解由于-石英转化为介稳态的-方石英时巨大的体积膨胀在胚体内产生的应力。37. 如何(为什么加CaO或Y2O3)避免ZrO2制品的开裂？（如何稳定处理ZrO 2）Page165生产上需采取稳定措施，通常是加入适量CaO或Y2O3。在1500以上四方ZrO2可以与这些稳定剂形成立方晶型的固溶体。在冷却过程中，这种固溶体不会发生晶型转变，没有体积效应，因而可以避免ZrO2制品的开裂。 38. 什么是一致熔化合物、不一致熔化合物，在相图中如何区分？Page169、Page182 一致熔化合物是一种稳定的化合物，它与正常的纯物质一样具有固定的熔点，熔化时所产生的液相与化合物组成相同，故称一致熔化合物，不一致熔化合物是一种不稳定的化合物；加热到一定温度会发生分解；分解产物是一种液相和一种固相，液相和固相的组成与化合物组成都不相同。在二元相图中，一致熔化合物组成点位于其液相线的组成范围内，否则为不一致熔化合物；在三元相图中，一致熔化合