无机材料习题

1.简述传统及新型无机材料的分类？【解】传统无机材料是指以SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，因此亦称硅酸盐材料，主要有陶瓷、玻璃，水泥和耐火材料。此外，搪瓷，磨料，铸石（辉绿岩，玄武岩等）‘碳素材料’、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也属于传统的无机材料。新型无机材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括新型陶瓷、特种玻璃、人工晶体、半导体材料、薄膜材料、无机纤维、多孔材料等。2.请解释为什么陶瓷材料通常是绝缘体。【解】陶瓷原料主要为长石、粘土、高岭土、石英等，为典型的硅酸盐材料。陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等，一般为离子晶体，离子晶体中很难产生可以自由运动的电子，而导电需要有能够自由移动的电子，因此陶瓷材料一般不导电，是绝缘体。3.Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用来做铁锤？【解】Al2O3陶瓷主要成分为α-Al2O3，离子间以强力的Al-O键连接，Al-O键结合力很大，结构非常稳定,反映在宏观性质上硬度大，所以Al2O3陶瓷坚硬且耐磨。如果发生相对移动，将失去电平衡，离子键遭到破坏，其在受到冲击原子间不能产生滑移错位，能量无法分散，受力过大时离子间的距离增大，导致作用力急剧下降，晶体结构被破坏，宏观上表现为脆性，韧性差，抗压强度小。而铁锤需要承受巨大冲击力，故Al2O3陶瓷不能用来制造锤子。4.请说明无机材料的特点以及在国民经济和科学技术发展中的地位和作用。【解】（1）无机材料的特点：在晶体结构上，无机材料中质点间结合力主要为离子键、共价键或离子—共价混合键。这些化学键具有高建能、高键强、大极性的特点，赋予材料以高熔点、高强度、耐磨损、耐腐蚀、高硬度和抗氧化的基本属性。同时具有宽广的导电性、导热性和透光性以及优良的铁电性、铁磁性和压电；在化学组成上，随着无机新材料的发展，无机材料已不局限于硅酸盐，还包括其他含氧酸盐、氧化物、氮化物、碳与碳化物、硼化物、氟化物、硫系化合物、硅、锗、Ⅲ-Ⅵ族化合物等；在形态上和显微结构上，也日益趋于多样化，薄膜（二维）、纤维（一维）、纳米（零维）材料，多孔材料，单晶和非晶材料占有越来越重要的地位；在合成与制备上，为了取得优良的材料性能，新型无机材料在制备上普遍要求高纯度、高细度的原料，并在化学组成、添加物的数量和分布、晶体结构和材料微观结构上能精确加以控制；在应用领域上已成为传统工业技术改造和现代高新技术、新兴产业以及发展现代国防和生物医学所不可或缺的重要组成部分，广泛应用于化工、冶金、信息、通讯、能源、环境、生物、空间、军事、国防等各方面。（2）地位与作用：传统无机材料是工业技术和基本建设所必须的基础材料，新型无机材料则是现代高新术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础，也是发展现代国防和生物医学所不可缺少的重要部分，它本身也被视为当代新技术的核心而普遍受到重视。①促进科学技术的发展在科学技术发展中，无机材料占有十分重要的地位。②推动工业及社会的进步无机材料对建立和发展新技术产业、改造传统工业、节约资源、节约能源和发展新能源都起着十分重要的作用。③巩固国防和发展军用技术当今世界的军备竞争早已不着眼于武器数量上的增加，而是武器性能和军用技术的抗衡。在武器和军用技术的发展上，无机新材料及以之为基础的新技术占有举足轻重的地位。④推动生物医学的发展用于生物医学的无机材料统称为生物陶瓷，它的性能一方面必须满足人体相应组织或器官功能的需要，另一方面又必须与周围组织的生理、生化特征相容。碳、氧化铝、氧化钽羟基磷酸钙、磷酸钠、玻璃、复合材料及涂层等无机材料已应用于人工心瓣、人工膝关节和髋关节、牙齿植入等。据调查，20世纪90年代日本生物陶瓷市场年增长率为30%，居各种无机材料之首。这是因为随着人们生活的改善，对生物陶瓷的需求将日益增加的缘故。4.定性描述晶体结构的参量有哪些？定量描述晶体结构的参量又有哪些？答：定性：对称轴、对称中心、晶系、点阵。定量：晶胞参数。5.依据结合力的本质不同，晶体中的键合作用分为哪几类？其特点是什么？答：晶体中的键合作用可分为离子键、共价键、金属键、范德华键和氢键。离子键的特点是没有方向性和饱和性，结合力很大。共价键的特点是具有方向性和饱和性，结合力也很大。金属键是没有方向性和饱和性的的共价键，结合力是离子间的静电库仑力。范德华键是通过分子力而产生的键合，分子力很弱。氢键是两个电负性较大的原子相结合形成的键，具有饱和性。6.等径球最紧密堆积的空隙有哪两种？一个球的周围有多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？答：等径球最紧密堆积有六方和面心立方紧密堆积两种，一个球的周围有8个四面体空隙、6个八面体空隙。7.n个等径球作最紧密堆积时可形成多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？不等径球是如何进行堆积的？答：n个等径球作最紧密堆积时可形成n个八面体空隙、2n个四面体空隙。不等径球体进行紧密堆积时，可以看成由大球按等径球体紧密堆积后，小球按其大小分别填充到其空隙中，稍大的小球填充八面体空隙，稍小的小球填充四面体空隙，形成不等径球体紧密堆积。10.根据最紧密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金刚石结构的空间利用率很低（只有34.01％），为什么它也很稳定？答：最紧密堆积原理是建立在质点的电子云分布呈球形对称以及无方向性的基础上的，故只适用于典型的离子晶体和金属晶体，而不能用最密堆积原理来衡量原子晶体的稳定性。另外，金刚石的单键个数为4，即每个原子周围有4个单键（或原子），由四面体以共顶方式共价结合形成三维空间结构，所以，虽然金刚石结构的空间利用率很低（只有34.01％），但是它也很稳定。13.根据半径比关系，说明下列离子与O2—配位时的配位数各是多少？已知rO2－＝0.132nm，rSi4＋＝0.039nm，rK＋＝0.131nm，rAl3＋＝0.057nm，rMg2＋＝0.078nm。答：对于Si4+、K+、Al3+、Mg2+来说，其依次是0.295、0.99、0.43、0.59；依据正离子配位数与正负离子半径比的关系知配位数为：Si4+4；K+8；Al3+6；Mg2+6。14.为什么石英不同系列变体之间的转化温度比同系列变体之间的转化温度高得多？答：石英同一系列之间的转变是位移性转变，不涉及晶体结构中键的破裂和重建，仅是键长、键角的调整、需要能量较低，且转变迅速可逆；而不同系列之间的转变属于重建性转变，都涉及到旧键的破裂和新键的重建，因而需要较的能量，且转变速度缓慢；所以石英不同系列之间的转化温度比同系列变体之间转化的温度要高的多。24.MnS有三种多晶体，其中两种为NaCl型结构，一种为立方ZnS型结构，当有立方型ZnS结构转变为NaCl型结构时，体积变化的百分数是多少？已知CN＝6时，rMn2＋＝0.08nm，rS2－＝0.184nm；CN＝4时，rMn2＋＝0.073nm，rS2－＝0.167nm。解：当为立方ZnS型结构时：=0.472nm当为NaCl型结构时：=2(rMn2++rS)=2(0.08+0.184)=0.384nm所以体积变化：=46.15%25.钛酸钡是一种重要的铁电陶瓷，其晶型是钙钛矿结构，试问：（1）属于什么点阵？（2）这个结构中离子的配位数为若干？（3）这个结构遵守鲍林规则吗？请作充分讨论。答：（1）属于立方晶系（2）Ba2+、Ti4+和O的配位数分别为12、6和6（3）这个结构遵守鲍林规则鲍林第一规则——配位多面体规则对于Ti4+配位数为6对于Ba2+配位数为12符合鲍林第一规则鲍林第二规则——电价规则即负离子电荷Z-=则O离子电荷=与O离子电荷相等，故符合鲍林第二规则，又根据钙钛矿型结构知其配位多面体不存在共棱或共面的情况，结构情况也符合鲍林第四规则——不同配位体连接方式规则和鲍林第五规则——节约规则所以钙钛矿结构遵守鲍林规则。26.硅酸盐晶体结构有何特点？怎样表征其学式？答：硅酸盐晶体结构非常复杂，但不同的结构之间具有下面的共同特点：（1）结构中的Si4+离子位于O离子形成的四面体中心，构成硅酸盐晶体的基本结构单元[SiO4]四面体。Si-O-Si是一条夹角不等的折线，一般在145°左右。（2）[SiO4]四面体的每个顶点，即O离子最多只能为两个[SiO4]四面体所共用。（3）两个相邻的[SiO4]四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。（4）[SiO4]四面体中心的Si4+离子可以部分地被Al3+离子所取代，取代后结构本身不发生太大变化，即所谓的同晶取代，但晶体的性质发生了很大的变化。这为材料的改性提供了可能。硅酸盐的化学式表征方法主要有以下两种：（1）氧化物表示法将构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比例和顺序全部写出来，先是1价的碱金属氧化物，其次是2价、3价的金属氧化物，最后是SiO2（2）无机络合盐表示法构成硅酸盐晶体的所有离子按一定的比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子用中括号括起来即可。先是1价、2价的金属离子，其次是Al3+离子和Si4+离子，最后是O离子和OH-离子。氧化物表示法的优点在于一目了然的反应出晶体的化学组成，可以按此配料来进行晶体的实验室合成。用无机络合盐法则可以比较直观的反应出晶体所属的结构类型，进而可以对晶体结构及性质作出一定程度的预测。两种表示方法之间可以相互转换。27.硅酸盐晶体的分类依据是什么？可分为那几类，每类的结构特点是什么？答：硅酸盐晶体主要是根据[SiO4]在结构中的排列结合方式来分类，具体可以分为五类：岛状、组群状、链状、层状和架状。结构和组成上的特征见下表：结构类型[SiO4]共用O数形状络阴离子团Si:OI岛状0四面体[SiO4]4-1:4组群状1222双四面体三节环四节环六节环[Si2O7]6-[Si3O9]6-[Si4O12]8-[Si6O18]12:71:31:31:3链状22、3单链双链[Si2O6]4-[Si4O11]6-1:34:11层状3平面层[Si4O10]4-4:10架状4骨架[SiO4]4-[(AlxSi4-x)O8]x-1:41:428.下列硅酸盐矿物各属何种结构类型：Mg2[SiO4]，K[AlSi3O8]，CaMg[Si2O6]，Mg3[Si4O10]（OH）2，Ca2Al[AlSiO7]。答：分别为岛状；架状；单链；层状（复网）；组群（双四面体）。第三章答案1.名词解释略。2.试述位错的基本类型及其特点。位错。刃型位错特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。螺型位错特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺施状，称螺型位错。3.非化学计量化合物有何特点？为什么非化学计量化合物都是n型或p型半导体材料？解：非化学计量化合物的特点：非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有关；可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；缺陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；非化学计量化合物都是半导体。由于负离子缺位和间隙正离子使金属离子过剩产生金属离子过剩（n型）半导体，正离子缺位和间隙负离子使负离子过剩产生负离子过剩（p型）半导体。4.影响置换型固溶体和间隙型固溶体形成的因素有哪些？解：影响形成置换型固溶体影响因素：（1）离子尺寸：15%规律：1.（R1-R2）/R115%不连续。2.15%连续。3.40%不能形成固熔体。（2）离子价：电价相同，形成连续固熔体。（3）晶体结构因素：基质，杂质结构相同，形成连续固熔体。（4）场强因素。（5）电负性：差值小，形成固熔体。差值大形成化合物。影响形成间隙型固溶体影响因素：（1）杂质质点大小：即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。（2）晶体（基质）结构：离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。（3）电价因素：外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。6.说明下列符号的含义：VNa，VNa'，VCl˙，