无机材料科学基础(陆佩文)课后习题

本人在网络上找了N久的,目前最全的,只有极个别简单的题没有写出来，别的都很全的.晶体结构2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。解：（1）h:k:l=1/2:1/3:1/6=3:2:1,∴该晶面的米勒指数为（321）；（2）（321）5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。解：MgO为NaCl型，O2-做密堆积，Mg2+填充空隙。rO2-=0.140nm，rMg2+=0.072nm，z=4，晶胞中质点体积：(4/3×πrO2-3+4/3×πrMg2+3)×4，a=2(r++r-)，晶胞体积=a3，堆积系数=晶胞中MgO体积/晶胞体积=68.5%，密度=晶胞中MgO质量/晶胞体积=3.49g/cm3。6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。解：体心：原子数2，配位数8，堆积密度55.5%；面心：原子数4，配位数6，堆积密度74.04%；六方：原子数6，配位数6，堆积密度74.04%。7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃,请说明这种差别的原因。解：u=z1z2e2N0A/r0×(1-1/n)/4πε0，e=1.602×10-19，ε0=8.854×10-12，N0=6.022×1023，NaCl：z1=1，z2=1，A=1.748，nNa+=7，nCl-=9，n=8，r0=2.81910-10m，uNaCl=752KJ/mol；MgO：z1=2，z2=2，A=1.748，nO2-=7，nMg2+=，n=7，r0=2.1010m，uMgO=392KJ/mol；∵uMgOuNaCl，∴MgO的熔点高。9、证明等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25．9％；解：设球半径为a，则球的体积为4/3πa3，求的z=4，则球的总体积（晶胞）4×4/3πa3，立方体晶胞体积：(2a)3=16a3，空间利用率=球所占体积/空间体积=74.1%，空隙率=1-74.1%=25.9%。10、金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为1.74克/厘米3，求它的晶胞体积。解：ρ=m/V晶=1.74g/cm3，V=1.37×10-22。11、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?ro2-=0.132nmrSi4+=0.039nmrK+=0.133nmrAl3+=0.057nmrMg2+=0.078nm解：Si4+4；K+12；Al3+6；Mg2+6。13、有效离子半径可通过晶体结构测定算出。在下面NaCl型结构晶体中，测得MgS和MnS的晶胞参数均为a=0.52nm(在这两种结构中，阴离子是相互接触的)。若CaS(a=0.567nm)、CaO(a=0.48nm)和MgO(a=0.42nm)为一般阳离子——阴离子接触，试求这些晶体中各离子的半径。解：MgS中a=5.20?，阴离子相互接触，a=2r-，∴rS2-=1.84?；CaS中a=5.67?，阴-阳离子相互接触，a=2(r++r-)，∴rCa2+=0.95?；CaO中a=4.80?，a=2(r++r-)，∴rO2-=1.40?；MgO中a=4.20?，a=2(r++r-)，∴rMg2+=0.70?。14、氟化锂(LiF)为NaCl型结构，测得其密度为2.6g／cm3，根据此数据汁算晶胞参数，并将此值与你从离子半径计算得到数值进行比较。解：LiF为NaCl型结构，z=4，V=a3，ρ=m/V=2.6g/cm3，a=4.05?，根据离子半径a1=2(r++r-)=4.14?，aa115、Li2O的结构是O2-作面心立方堆积，Li+占据所有四面体空隙位置。求：(1)计算四面体空隙所能容纳的最大阳离子半径，并与书末附表Li+半径比较，说明此时O2-能否互相接触。(2)根据离子半径数据求晶胞参数。(3)求Li2O的密度。解：（1）如图是一个四面体空隙，O为四面体中心位置。AO=r++r-，BC=2r-，CE=r-，CG=2/3CE=2r-/3，AG=2r-/3，△OGC∽△EFC，OG/CG=EF/CF，OG=EF/CF×CG=r-/6，AO=AG-OG=r/2，r+=AO-r-=(/2-1)r=0.301?，查表知rLi+=0.68?0.301?，∴O2-不能互相接触;（2）体对角线=a=4(r++r-)，a=4.665?；（3）ρ=m/V=1.963g/cm3.17、MgO和CaO同属NaCl型结构，而它们与水作用时则CaO要比MgO活泼，试解释之。解：rMg2+与rCa2+不同，rCa2+rMg2+，使CaO结构较MgO疏松，H2O易于进入，所以活泼18、根据CaF2晶胞图画出CaF2晶胞的投影图。19、算一算CdI2晶体中的I-及CaTiO3晶体中O2-的电价是否饱和。20、(1)画出O2-作而心立方堆积时，各四面体空隙和八面体空隙的所在位置(以一个晶胞为结构基元表示出来)。(2)计算四面体空隙数、八而休空隙数与O2-数之比。(3)根据电价规则，在下面情况下，空隙内各需填入何种价数的阳离子，并对每一种结构举出—个例子。（a）所有四面体空隙位置均填满；(b)所有八而体空隙位置均填满；(c)填满—半四面体空隙位置；(d)填满—半八面休空隙位置。解：（2）四面体空隙数/O2-数=2:1，八面体空隙数/O2-数=1:1；（3）(a)CN=4，z+/4×8=2，z+=1，Na2O，Li2O；(b)CN=6，z+/6×6=2，z+=2，FeO，MnO；（c）CN=4，z+/4×4=2，z+=4，ZnS，SiC；(d)CN=6，z+/6×3=2，z+=4，MnO2。21、下列硅酸盐矿物各属何种结构类型：Mg2[SiO4]，K[AISi3O8]，CaMg[Si2O6]，Mg3[Si4O10](OH)2，Ca2Al[AlSiO7]。解：岛状；架状；单链；层状（复网）；组群（双四面体）。22、根据Mg2[SiO4]在(110)面的投影图回答：(1)结构中有几种配位多面体，各配位多面体间的连接方式怎样?(2)O2-的电价是否饱和?(3)晶胞的分子数是多少?(4)Si4+和Mg2+所占的四面体空隙和八面体空隙的分数是多少?解：（1）有两种配位多面体，[SiO4]，[MgO6]，同层的[MgO6]八面体共棱，如59[MgO6]和49[MgO6]共棱75O2-和27O2-，不同层的[MgO6]八面体共顶，如1[MgO6]和51[MgO6]共顶是22O2-，同层的[MgO6]与[SiO4]共顶，如T[MgO6]和7[SiO4]共顶22O2-，不同层的[MgO6]与[SiO4]共棱，T[MgO6]和43[SiO4]共28O2-和28O2-；（2）（3）z=4；（4）Si4+占四面体空隙=1/8，Mg2+占八面体空隙=1/2。23、石棉矿如透闪石Ca2Mg5[Si4O11](OH)2具有纤维状结晶习性，而滑石Mg2[Si4O10](OH)2却具有片状结晶习性，试解释之。解：透闪石双链结构，链内的Si-O键要比链5的Ca-O、Mg-O键强很多，所以很容易沿链间结合力较弱处劈裂成为纤维状；滑石复网层结构，复网层由两个[SiO4]层和中间的水镁石层结构构成，复网层与复网层之间靠教弱的分之间作用力联系，因分子间力弱，所以易沿分子间力联系处解理成片状。24、石墨、滑石和高岭石具有层状结构，说明它们结构的区别及由此引起的性质上的差异。解：石墨中同层C原子进行SP2杂化，形成大Π键，每一层都是六边形网状结构。由于间隙较大，电子可在同层中运动，可以导电，层间分子间力作用，所以石墨比较软。25、(1)在硅酸盐晶体中，Al3+为什么能部分置换硅氧骨架中的Si4+；(2)Al3+置换Si4+后，对硅酸盐组成有何影响?(3)用电价规则说明Al3+置换骨架中的Si4+时，通常不超过一半，否则将使结构不稳定。解：（1）Al3+可与O2-形成[AlO4]5-；Al3+与Si4+处于第二周期，性质类似，易于进入硅酸盐晶体结构中与Si4+发生同晶取代，由于鲍林规则，只能部分取代；（2）Al3+置换Si4+是部分取代，Al3+取代Si4+时，结构单元[AlSiO4][ASiO5]，失去了电中性，有过剩的负电荷，为了保持电中性，将有一些半径较大而电荷较低的阳离子如K+、Ca2+、Ba2+进入结构中；（3）设Al3+置换了一半的Si4+，则O2-与一个Si4+一个Al3+相连，阳离子静电键强度=3/4×1+4/4×1=7/4，O2-电荷数为-2，二者相差为1/4，若取代超过一半，二者相差必然1/4，造成结构不稳定。晶体结构缺陷1、说明下列符号的含义：VNa，VNa’，VCl•，.(VNa’VCl•)，CaK•，CaCa，Cai••解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。2、写出下列缺陷反应式：(1)NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；(2)CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶体；(3)NaCl形成肖脱基缺陷；(4)AgI形成弗仑克尔缺陷(Ag+进入间隙)。解：（1）NaClNaCa’+ClCl+VCl·（2）CaCl2CaNa·+2ClCl+VNa’（3）OVNa’+VCl·（4）AgAgVAg’+Agi·3、MgO的密度是3.58克／厘米3，其晶格参数是0.42nm，计算单位晶胞MgO的肖脱基缺陷数。解：设有缺陷的MgO晶胞的晶胞分子数为x，晶胞体积V=(4.20)3，x=ρVN0/M=3.96,单位晶胞的肖脱基缺陷数=4-x=0.044、(a)MgO晶体中，肖脱基缺陷的生成能为6eV，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。(b)如果MgO晶体中，含有百万分之一摩尔的A12O3杂质，则在1600℃时，MgO晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势，说明原因。解：（a）根据热缺陷浓度公式n/N=exp(-E/2RT)，E=6eV=6×1.602×10-19=9.612×10-19J,T=298k：n/N=1.92×10-51，T=1873k：n/N=8.0×10-9；（b）在MgO中加入百万分之一的AL2O3，AL2O32ALMg·+VMg’’+3OO，∵[AL2O3]=10-6，∴[杂质缺陷]=3×10-6/2=1.5×10-6，∴比较可知，杂质缺陷占优。5、MgO晶体的肖特基缺陷生成能为84kJ／mol，计算该晶体在1000K和1500K的缺陷浓度。解：n/N=exp(-E/2RT)，R=8.314，T=1000k：n/N=6.4×10-3；T=1500k：n/N=3.5×10-26、非化学计量化合物FexO中，Fe3+／Fe2+=0.1，求FexO中的空位浓度及x值。解：Fe2O32FeFe·+3OO+VFe’’y2yyFe3+2yFe2+1-3yO，X=1-y=1-0.0435=0.9565,Fe0.9565O[VFe’’]===2.22×10-27、非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质、压力大小相关，如果增大周围氧气的分压，非化学计量化合物Fe1-XO及Zn1+XO的密度将发生怎么样的变化?增大还是减小?为什么?解：Zn(g)Zni·+e’,Zn(g)+1/2O2=ZnO,Zni·+e’+1/2O2ZnO,[ZnO]=[e’]，∴PO2[Zni·]ρO2(g)OO+VFe’’+2hk=[OO][VFe’’][h·]/PO21/2=4[OO][VFe’’]3/PO21/2,[VFe’’]∝PO2-1/6，∴PO2[VFe’’]ρ8、对于刃位错和螺位错，区别其位错线方向、柏氏矢量和位错运动方向的特点。解：刃位错：位错线垂直于位错线垂直于位错运动方向；螺位错：位错线平行于位错线平行于位错