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无机材料科学基础习题与解答 12.
第三章晶体结构，习题与解答3-1 名词解释（a）萤石型和反萤石型（b）类质同晶和同质多晶（c）二八面体型与三八面体型（d）同晶取代与阳离子交换（e）尖晶石与反尖晶石答：（a）萤石型：CaF2型结构中，Ca2+按面心立方紧密排列，F-占据晶胞中全部四面体空隙。
反萤石型：阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。
（b）类质同象：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。
同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。
（c）二八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构三八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。
（d ）同晶取代：杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。
阳离子交换：在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，一些电价低、半径大的阳离子（如K+、Na+等）将进入晶体结构来平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它阳离子交换。
（e ）正尖晶石：在AB2O4尖晶石型晶体结构中，若A2+分布在四面体空隙、而B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石；反尖晶石：若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空隙另一半分布于八面体空隙，通式为B(AB)O4，称为反尖晶石。
3-2 （a ）在氧离子面心立方密堆积的晶胞中，画出适合氧离子位置的间隙类型及位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干？四面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干？（b ）在氧离子面心立方密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何种价离子，其中：（1）所有八面体间隙位置均填满；（2）所有四面体间隙位置均填满；（3）填满一半八面体间隙位置；（4）填满一半四面体间隙位置。
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无机材料科学基础习题答案第一章晶体几何基础1-1解释概念:等价点:晶体结构中的一个点，其几何环境和物理环境在同一方向上是相同的。
空间点阵:一种几何图形，通常代表晶体结构中等价点的排列。
节点:空间晶格中的点称为节点。
水晶:内部粒子在三维空间中周期性重复排列的固体。
对称性:物体的相同部分有规律地重复。
对称型:晶体结构中所有点(对称平面、对称中心、对称轴和旋转反延伸轴)的对称元素集是对称的，也称为点群。
晶体:相同对称类型的晶体被归为一类，称为晶体。
晶体取向:将坐标系引入晶体中，以便用数字表示晶体中点、线和平面的相对位置的过程。
空间组:它是指晶体结构中所有对称元素的集合。
Brafi网格:根据晶体结构的顶点群和平移群以及空间晶格的平行六面体的对称性原理，法国学者A .布拉菲将所有晶体结构的空间晶格分为14种类型的空间晶格。
单元电池:能够反映晶体结构特征的最小单位。
单元电池参数:代表晶胞形状和大小的六个参数(A、B、C、α、β、γ)。
1-等效点: 晶体结构中的一个点，其几何环境和物理环境在同一方向上是相同的。
空间点阵:一种几何图形，通常代表晶体结构中等价点的排列。
节点:空间晶格中的点称为节点。
水晶:内部粒子在三维空间中周期性重复排列的固体。
对称性:物体的相同部分有规律地重复。
对称型:晶体结构中所有点(对称平面、对称中心、对称轴和旋转反延伸轴)的对称元素集是对称的，也称为点群。
晶体:相同对称类型的晶体被归为一类，称为晶体。
晶体取向:将坐标系引入晶体中，以便用数字表示晶体中点、线和平面的相对位置的过程。
空间组:它是指晶体结构中所有对称元素的集合。
Brafi网格:根据晶体结构的顶点群和平移群以及空间晶格的平行六面体的对称性原理，法国学者A .布拉菲将所有晶体结构的空间晶格分为14种类型的空间晶格。
单元电池:能够反映晶体结构特征的最小单位。
单元电池参数:代表晶胞形状和大小的六个参数(A、B、C、α、β、γ)。
1: ⑴晶体结构的基本特征:①晶体是一种固体，其内部粒子在三维空间中周期性重复排列。
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无机材料科学基础试卷7一、名词解释（20分）1、正尖晶石、反尖晶石；2、线缺陷、面缺陷；3、晶子学说、无规则网络学说；4、可塑性、晶胞参数；二、选择题（10分）1、下列性质中（）不是晶体的基本性质。
A、自限性B、最小内能性C、有限性D、各向异性2、晶体在三结晶轴上的截距分别为2a、3b、6c。
该晶面的晶面指数为（）。
A、（236）B、（326）C、（321）D、（123）3、依据等径球体的堆积原理得出，六方密堆积的堆积系数（）立方密堆积的堆积系数。
A、大于B、小于C、等于D、不确定4、某晶体AB，A—的电荷数为1，A—B键的S=1/6，则A+的配位数为（）。
A、4B、12C、8D、65、在单位晶胞的CaF2晶体中，其八面体空隙和四面体空隙的数量分别为（）。
A、4，8B、8，4C、1，2D、2，46、在ABO3(钙钛矿)型结构中，B离子占有（）。
A、四面体空隙B、八面体空隙C、立方体空隙D、三方柱空隙晶体7、在硅酸盐熔体中，当R=O/Si减小时，相应熔体组成和性质发生变化，熔体析晶能力（），熔体的黏度（），低聚物数量（）。
A、增大B、减小C、不变D、不确定8、当固体表面能为1.2J/m2，液体表面能为0.9 J/m2，液固界面能为1.1 J/m2时，降低固体表面粗糙度，（）润湿性能。
A、降低B、改善C、不影响9、一种玻璃的组成为32.8%CaO，6.0 Al2O3%，61.2 SiO2%，此玻璃中的Al3+可视为网络（），玻璃结构参数Y=（）。
A、变性离子，3.26B、形成离子，3.26C、变性离子，2.34D、形成离子，2.3410、黏土泥浆胶溶必须使介质呈（）。
A、酸性B、碱性C、中性11、可以根据3T曲线求出熔体的临界冷却速率。
熔体的临界冷却速率越小，就（）形成玻璃。
A、越难B、越容易C、很快D、缓慢12、晶体结构中一切对称要素的集合称为（）。
A、对称型B、点群C、微观对称的要素的集合D、空间群三、填空（15分）1、a=b≠c α=β= 900，γ=1200的晶体属（）晶系。
无机材料科学基础课后习题答案9
1．碳酸钙的加热分解：。
试用一般热力学方程求分解反应的及分解温度？答案：1123K提示：查表获得有关热力学数据，计算800-1400K间的，再作图，=0所对应的温度为即为分解温度。
解：由《硅酸盐热力学》查得下列数据H。
298=∑（△H。
生，298）产物-∑（△H。
生，298）反应物=-151.90×103-94.05×103+288.45×103=42.5×103卡/摩尔△G。
298=∑△G。
生，298）产物-∑△G。
生，298）反应物=-1.44.40×103-94.26×103+269.78×103=31.12×103卡/摩尔因为△a=11.67+10.55-24.98=-2.76△b=1.08×10-3+2.16×10-3-5.24×10-3=-2×10-3△c=-1.56×105-2.04×105+6.20×105=2.6×105△H.=△H.298-△a·298-1/2△b（298）2+△c（298）-=42500+2.76×298+1/2×2×10-3×（298）2+2.6×105×（298）-1=44283.76积分常数I=（△G..298-△H.）（298）-+△aln298+1/2△b·298+1/2△c（298）-2=-44.17-15.72-0.298+1.46=-58.73因为当△G。
〉0时，CaCO3不能自发分解，当△G。
〈0时，CaCO3自发分解，所以，△G。
=0的温度为CaCO3开始分解的温度由热力学方程△GT。
=△H。
-△aTlnT-1/2△bT2-1/2△CT-+IT令△G。
T=0 解得方程得T=1123K2．碳酸钙的加热分解：。
无机材料科学基础课后习题答案
4.1 名词解释（a）弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷；（b）刃型位错和螺型位错解：（a）当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。
如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。
（b）滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型位错。
位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错。
4.2试述晶体结构中点缺陷的类型。
以通用的表示法写出晶体中各种点缺陷的表示符号。
试举例写出CaCl2中Ca2+置换KCl中K+或进入到KCl间隙中去的两种点缺陷反应表示式。
解：晶体结构中的点缺陷类型共分：间隙原子、空位和杂质原子等三种。
在MX晶体中，间隙原子的表示符号为MI或XI；空位缺陷的表示符号为：VM或VX。
如果进入MX晶体的杂质原子是A，则其表示符号可写成：AM或AX（取代式）以及Ai（间隙式）。
当CaCl2中Ca2+置换KCl中K+而出现点缺陷，其缺陷反应式如下：CaCl2++2Cl ClCaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为：CaCl2+2+2Cl Cl4.3在缺陷反应方程式中，所谓位置平衡、电中性、质量平衡是指什么？解：位置平衡是指在化合物MaXb中，M格点数与X格点数保持正确的比例关系，即M：X=a：b。
电中性是指在方程式两边应具有相同的有效电荷。
质量平衡是指方程式两边应保持物质质量的守恒。
4.4（a）在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为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mol 的Al2O3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：exp（－）由题意△G=6ev=6×1.602×10-19=9.612×10-19JK=1.38×10-23 J/KT1=25+273=298K T2=1600+273=1873K298K：exp =1.92×10-511873K：exp=8×10-9（b）在MgO中加入百万分之一的Al2O3杂质，缺陷反应方程为：此时产生的缺陷为[ ]杂质。
无机材料科学基础试题及答案
1螺位错：柏格斯矢量与位错线平行的位错。
2同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。
3晶胞：指晶体结构中的平行六面体单位，其形状大小与对应的空间格子中的单位平行六面体一致。
4肖特基缺陷：如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，迁移到晶体的表面，在晶格内正常格点上留下空位，即为肖特基缺陷。
肖特基缺陷：如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，迁移到晶体的表面，在晶格内正常格点上留下空位，即为肖特基缺陷。
5聚合：由分化过程产生的低聚合物，相互作用，形成级次较高的聚合物，同时释放出部分Na2O，这个过程称为缩聚，也即聚合。
6非均匀成核：借助于表面、界面、微粒裂纹、器壁以及各种催化位置而形成晶核的过程。
7稳定扩散：扩散质点浓度分布不随时间变化。
8玻璃分相：一个均匀的玻璃相在一定的温度和组成范围内有可能分成两个互不溶解或部分溶解的玻璃相(或液相)，并相互共存的现象称为玻璃的分相(或称液相不混溶现象)。
9不一致熔融化合物：是一种不稳定的化合物。
加热这种化合物到某一温度便发生分解，分解产物是一种液相和一种晶相，两者组成与化合物组成皆不相同，故称不一致熔融化合物。
10晶粒生长：无应变的材料在热处理时，平均晶粒尺寸在不改变其分布的情况下，连续增大的过程。
11非本征扩散：受固溶引入的杂质离子的电价和浓度等外界因素所控制的扩散。
或由不等价杂质离子取代造成晶格空位，由此而引起的质点迁移。
（2.5）本征扩散：空位来源于晶体结构中本征热缺陷，由此而引起的质点迁移。
12稳定扩散：若扩散物质在扩散层dx内各处的浓度不随时间而变化，即dc/dt=0。
不稳定扩散：扩散物质在扩散层dx内的浓度随时间而变化，即dc/dt≠0。
这种扩散称为不稳定扩散。
（2.5分）（2.5分）13可塑性：粘土与适当比例的水混合均匀制成泥团，该泥团受到高于某一个数值剪应力作用后，可以塑造成任何形状，当去除应力泥团能保持其形状，这种性质称为可塑性。
无机材料科学基础习题与解答 12.
第三章晶体结构，习题与解答3-1 名词解释（a）萤石型和反萤石型（b）类质同晶和同质多晶（c）二八面体型与三八面体型（d）同晶取代与阳离子交换（e）尖晶石与反尖晶石答：（a）萤石型：CaF2型结构中，Ca2+按面心立方紧密排列，F-占据晶胞中全部四面体空隙。
反萤石型：阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。
（b）类质同象：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。
同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。
（c）二八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构三八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。
（d ）同晶取代：杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。
阳离子交换：在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，一些电价低、半径大的阳离子（如K+、Na+等）将进入晶体结构来平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它阳离子交换。
（e ）正尖晶石：在AB2O4尖晶石型晶体结构中，若A2+分布在四面体空隙、而B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石；反尖晶石：若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空隙另一半分布于八面体空隙，通式为B(AB)O4，称为反尖晶石。
3-2 （a ）在氧离子面心立方密堆积的晶胞中，画出适合氧离子位置的间隙类型及位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干？四面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干？（b ）在氧离子面心立方密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何种价离子，其中：（1）所有八面体间隙位置均填满；（2）所有四面体间隙位置均填满；（3）填满一半八面体间隙位置；（4）填满一半四面体间隙位置。
无机材料科学基础课后习题
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×πr O2-3+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.×1023，NaCl：z1=1，z2=1，A=1.748，n Na+=7，n Cl-=9，n=8，r0=2.81910-10m，u NaCl=752KJ/mol；MgO：z1=2，z2=2，A=1.748，n O2-=7，n Mg2+=，n=7，r0=2.1010m，u MgO=392KJ/mol；∵u MgO> u NaCl，∴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%。
无机材料科学基础课后习题答案
名师整理优秀资源4.1 名词解释（a）弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷；（b）刃型位错和螺型位错解：（a）当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。
如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。
（b）滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型位错。
位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错。
4.2试述晶体结构中点缺陷的类型。
以通用的表示法写出晶体中各种点缺陷的表示符号。
试举例写出CaCl2中Ca2+置换KCl中K+或进入到KCl间隙中去的两种点缺陷反应表示式。
解：晶体结构中的点缺陷类型共分：间隙原子、空位和杂质原子等三种。
在MX晶体中，间隙原子的表示符号为MI或XI；空位缺陷的表示符号为：VM或VX。
如果进入MX晶体的杂质原子是A，则其表示符号可写成：AM或AX（取代式）以及Ai（间隙式）。
当CaCl2中Ca2+置换KCl中K+而出现点缺陷，其缺陷反应式如下：++2Cl CaCl Cl2CaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反应式为：+2CaCl+2Cl Cl24.3在缺陷反应方程式中，所谓位置平衡、电中性、质量平衡是指什么？解：位置平衡是指在化合物MaXb中，M格点数与X格点数保持正确。
电中性是指在方程式两边应具有相同的b：X=a：M的比例关系，即．名师整理优秀资源有效电荷。
质量平衡是指方程式两边应保持物质质量的守恒。
4.4（a）在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为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mol的Al2O3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：（－）exp由题意△G=6ev=6×1.602×10-19=9.612×10-19JK=1.38×10-23 J/KT1=25+273=298K T2=1600+273=1873K-5110=1.92：×exp 298K-9×10=8exp1873K：（b）在MgO中加入百万分之一的Al2O3杂质，缺陷反应方程为：[ ]杂质。
无机材料科学基础习题与解答
4.1 名词解释（a ）弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷；（b ）刃型位错和螺型位错 （c ）类质同象与同质多晶解：（a ）当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。
如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。
（b ）滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型位错。
位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错。
（c ）类质同象：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。
同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。
6-3 名词解释（并比较其异同）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[SiO 4]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。
5.1试述影响置换型固溶体的固溶度的条件。
解：1.离子尺寸因素 ：从晶体稳定性考虑，相互替代的离子尺寸愈相近，则固溶体愈稳定。
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无机材料科学基础课后习题答案宋晓岚黄学辉版无机材料科学基础课程组第二章答案2-1 略。
2-2 （1 ）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c,求该晶面的晶面指（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c,求出该晶面的晶面指数。
1 j 2答：（1）h:k:l= 1二-■ =3:2:1, A该晶面的晶面指数为（321）;（2）h:k:l=3:2:1 ,A该晶面的晶面指数为（321）。
2-3在立方晶系晶胞中画出下列晶面指数和晶向指数：（001 ）与［」-］,（111 ）与［一二］, （二）与［111］,（二二）与［236］,（257 ）与［」］,（123 ）与［二］,（102）,（二），（」），［110］, U.］, L I］答：(001)2-4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。
2-5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。
2-6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。
2-7 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。
无机材料科学基础习题与解答
无机材料科学基础习题与解答2、 晶体的结构类型：形成连续固溶体的两个组分必须具有完全相同的晶体结构。
结构不同最多只能生成有限固溶体。
3、 离子的电价因素：只有离子价相同或复合替代离子价总和相同时，才可能形成连续置换型固溶体。
4、电负性因素：电负性相近，有利于固溶体的生成。
4.1名词解释（a ）弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷；（b ）刃型位错和螺型位错 （c ）类质同象与同质多晶解：（a ）当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。
如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。
（ b ）滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型 位错。
位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错。
（c ）类质同象：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离 子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。
同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。
6-3名词解释（并比较其异同）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（三角体本或四 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［SiO 』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。
无机材料科学基础习题解答
∆G = 6a 2 .γ + a 3 .∆GV
求极值得： 对∆G求极值得： ∆ G = 0 求极值得 ∂ ∂a
12a 即：
γ + 3a K 2 ∆ G V = 0 K
4γ ∴ aK = − ∆GV
此时临界核化自由焓 ∆G a =
32 γ ∆ GV
3 2
2γ 16π γ 3 可知为球形时， . 由8－2可知为球形时， rK = − ∆G K = 3 ∆GV 2 ∆GV 比较得， 原因：立方体成核临界半径大， 比较得， ∆Ga大。原因：立方体成核临界半径大，因而需要较高 的临界核化自由焓。 的临界核化自由焓。
Al2O3 Al2O3
（1）
2Mg'Al +V••O+2OO
（2）
• 复合取代，将（1）式与（2）式相加即可： • 3ZrO2 + 2MgO Al2O3 3Zr•Al + V'''Al + 8OO +2Mg'Al +
• 0.003 2/3*0.003 0.003 1/3*0.003 2/3*0.003
3－7 －
SiO2 熔体的粘度在 熔体的粘度在1000℃时为 15dpa.s，在1400℃时为 8dpa.s， ℃时为10 ， ℃时为10 ，
玻璃粘滞的活化能是多少？上述数据为恒压下取得，若在恒容下获得， 玻璃粘滞的活化能是多少？上述数据为恒压下取得，若在恒容下获得， 你认为活化能会改变吗？为什么？ 你认为活化能会改变吗？为什么？ 取对数得： 解：(a) 对η＝ η0exp(∆E/kT)取对数得： ∆ 取对数得 Ln η＝Ln η0＋ ∆E/kT 令 A＝ Ln η0 ＝ 将η 、T值代入上式 值代入上式 B＝ ∆E/k ＝
无机材料科学基础课后习题
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×πr O2-3+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.×1023，NaCl：z1=1，z2=1，A=1.748，n Na+=7，n Cl-=9，n=8，r0=2.81910-10m，u NaCl=752KJ/mol；MgO：z1=2，z2=2，A=1.748，n O2-=7，n Mg2+=，n=7，r0=2.1010m，u MgO=392KJ/mol；∵u MgO> u NaCl，∴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%。
无机材料科学基础习题解答1
解得：x=5.1 y=79.9
z=94.9
8－3 如果液态中形成一个边长为a的立方体晶核时，其自由焓G 将写成什么形式？求出此时晶核的临界立方体边长 aK 和临界核化 自由焓Ga，并8－2题比较，那一种形状的G大，为什么？ 解：
G 6a2 . a 3 .GV
G 对G求极值得： 0 a 即： 12aK 3aK GV 0
LV＝900mN/m SL＝600mN/m 70.520 SV SL LV cos
＝600＋900×cos70.520
＝901mN/m`
( 2)已知＝600，求： SS
SS＝2 SV cos
2 600 2 901 cos 2 1559mN / m
19 n － 2.8 1.602 10－ -4 exp( ) 1 . 70 10 在1873K时， N 2 1.38 10－23 1873 . (b) 2Y F3 ( S ) CaF 6FF 2YCa VCa
2
由此可知 VCa
而在1873K时 VCa
5.5eV，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度？
2－6 (a) 在CaF2晶体中，Frankel缺陷形成能为2.8eV，Schttky缺陷的生成能为
(b) 如果CaF2晶体中，含有10－6的YF3杂质，则在1600℃时， CaF2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) 由题可知， Frankel缺陷形成能 < Schttky缺陷的生成能 n － E exp( ) 由 知， N 2 KT Frankel缺陷浓度高，因而 是主要的。 n －2.8 1.602 10－19 －24 exp( ) ＝ 2.06 10 在298K时， N 2 1.38 10－23 298
无机材料科学基础复习题
无机材料科学基础复习题一、选择题1. 无机材料的分类包括以下哪些选项？A. 金属材料B. 陶瓷材料C. 玻璃材料D. 所有以上选项答案：D2. 陶瓷材料的主要成分是什么？A. 金属元素B. 非金属元素C. 有机元素D. 金属和非金属元素答案：B3. 玻璃材料的制造过程中，以下哪个步骤是必不可少的？A. 熔融B. 冷却C. 固化D. 所有以上步骤答案：D二、填空题1. 无机材料的强度通常与其______结构有关。
答案：晶体2. 陶瓷材料的硬度通常比金属材料______。
答案：高3. 玻璃材料的透光性是由其______结构决定的。
答案：无定形三、简答题1. 简述无机材料的一般特性。
答案：无机材料通常具有高硬度、高熔点、良好的化学稳定性和热稳定性等特点。
2. 描述陶瓷材料在现代工业中的应用。
答案：陶瓷材料在现代工业中广泛应用于电子、化工、航空航天、医疗等领域，如电子器件的绝缘体、化工设备的耐腐蚀材料、航空航天器的热防护材料以及医疗领域的人工骨骼等。
3. 阐述玻璃材料的制造过程。
答案：玻璃材料的制造过程主要包括原料的混合、高温熔融、成型、退火和冷却等步骤。
四、论述题1. 论述无机材料科学在新材料研究中的重要性。
答案：无机材料科学是研究无机材料的组成、结构、性能及其加工工艺的科学，它在新材料研究中具有重要的地位。
无机材料的广泛应用推动了材料科学的发展，同时新材料的不断涌现也为无机材料科学提供了新的研究领域和挑战。
2. 分析无机材料在环境友好型材料开发中的作用。
答案：无机材料在环境友好型材料开发中起着至关重要的作用。
例如，陶瓷材料和玻璃材料可以替代一些对环境有害的材料，减少污染。
此外，无机材料的回收和再利用也是环境友好型材料开发的重要组成部分。
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第一章晶体几何基础1-1 解释概念：等同点：晶体结构中，在同一取向上几何环境和物质环境皆相同的点。
空间点阵：概括地表示晶体结构中等同点排列规律的几何图形。
结点：空间点阵中的点称为结点。
晶体：内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。
对称：物体相同部分作有规律的重复。
对称型：晶体结构中所有点对称要素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反伸轴）的集合为对称型，也称点群。
晶类：将对称型相同的晶体归为一类，称为晶类。
晶体定向：为了用数字表示晶体中点、线、面的相对位置，在晶体中引入一个坐标系统的过程。
空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素的集合。
布拉菲格子：是指法国学者A.布拉菲根据晶体结构的最高点群和平移群对称及空间格子的平行六面体原则，将所有晶体结构的空间点阵划分成14种类型的空间格子。
晶胞：能够反应晶体结构特征的最小单位。
晶胞参数：表示晶胞的形状和大小的6个参数（a、b、c、α 、β、γ ）.1-2 晶体结构的两个基本特征是什么？哪种几何图形可表示晶体的基本特征？解答：⑴晶体结构的基本特征：①晶体是内部质点在三维空间作周期性重复排列的固体。
②晶体的内部质点呈对称分布，即晶体具有对称性。
⑵14种布拉菲格子的平行六面体单位格子可以表示晶体的基本特征。
1-3 晶体中有哪些对称要素，用国际符号表示。
解答：对称面—m，对称中心—1，n次对称轴—n，n次旋转反伸轴—n螺旋轴—ns ，滑移面—a、b、c、d1-5 一个四方晶系的晶面，其上的截距分别为3a、4a、6c，求该晶面的晶面指数。
解答：在X、Y、Z轴上的截距系数：3、4、6。
截距系数的倒数比为：1/3:1/4:1/6=4:3:2晶面指数为：（432）补充：晶体的基本性质是什么？与其内部结构有什么关系？解答：①自限性：晶体的多面体形态是其格子构造在外形上的反映。
②均一性和异向性：均一性是由于内部质点周期性重复排列，晶体中的任何一部分在结构上是相同的。
异向性是由于同一晶体中的不同方向上，质点排列一般是不同的，因而表现出不同的性质。
③对称性：是由于晶体内部质点排列的对称。
④最小内能和最大稳定性：在相同的热力学条件下，较之同种化学成分的气体、液体及非晶质体，晶体的内能最小。
这是规则排列质点间的引力和斥力达到平衡的原因。
晶体的稳定性是指对于化学组成相同，但处于不同物态下的物体而言，晶体最为稳定。
自然界的非晶质体自发向晶体转变，但晶体不可能自发地转变为其他物态。
第二章晶体化学基础2-1 名词解释：配位数与配位体，同质多晶与多晶转变，位移性转变与重建性转变，晶体场理论与配位场理论。
答：配位数：晶体结构中与一个离子直接相邻的异号离子数。
配位体：晶体结构中与某一个阳离子直接相邻、形成配位关系的各个阴离子中心连线所构成的多面体。
同质多晶：同一化学组成在不同外界条件下（温度、压力、pH值等），结晶成为两种以上不同结构晶体的现象。
多晶转变：当外界条件改变到一定程度时，各种变体之间发生结构转变，从一种变体转变成为另一种变体的现象。
位移性转变：不打开任何键，也不改变原子最邻近的配位数，仅仅使结构发生畸变，原子从原来位置发生少许位移，使次级配位有所改变的一种多晶转变形式。
重建性转变：破坏原有原子间化学键，改变原子最邻近配位数，使晶体结构完全改变原样的一种多晶转变形式。
晶体场理论：认为在晶体结构中，中心阳离子与配位体之间是离子键，不存在电子轨道的重迭，并将配位体作为点电荷来处理的理论。
配位场理论：除了考虑到由配位体所引起的纯静电效应以外，还考虑了共价成键的效应的理论。
图2-1 MgO晶体中不同晶面的氧离子排布示意图2-2 面排列密度的定义为：在平面上球体所占的面积分数。
（a）画出MgO（NaCl型）晶体（111）、（110）和（100）晶面上的原子排布图；（b）计算这三个晶面的面排列密度。
解：MgO晶体中O2-做紧密堆积，Mg2+填充在八面体空隙中。
（a）（111）、（110）和（100）晶面上的氧离子排布情况如图2-1所示。
（b）在面心立方紧密堆积的单位晶胞中，（111）面：面排列密度=（110）面：面排列密度=（100）面：面排列密度=2-3 试证明等径球体六方紧密堆积的六方晶胞的轴比c/a≈1.633。
证明：六方紧密堆积的晶胞中，a轴上两个球直接相邻，a0=2r；c轴方向上，中间的一个球分别与上、下各三个球紧密接触，形成四面体，如图2-2所示：图2-2 六方紧密堆积晶胞中有关尺寸关系示意图2-4 设原子半径为R，试计算体心立方堆积结构的（100）、（110）、（111）面的面排列密度和晶面族的面间距。
解：在体心立方堆积结构中：（100）面：面排列密度=面间距=（110）面：面排列密度=面间距=（111）面：面排列密度=面间距=2-5 以NaCl晶胞为例，试说明面心立方紧密堆积中的八面体和四面体空隙的位置和数量。
答：以NaCl晶胞中（001）面心的一个球（Cl-离子）为例，它的正下方有1个八面体空隙（体心位置），与其对称，正上方也有1个八面体空隙；前后左右各有1个八面体空隙（棱心位置）。
所以共有6个八面体空隙与其直接相邻，由于每个八面体空隙由6个球构成，所以属于这个球的八面体空隙数为6×1/6=1。
在这个晶胞中，这个球还与另外2个面心、1个顶角上的球构成4个四面体空隙（即1/8小立方体的体心位置）；由于对称性，在上面的晶胞中，也有4个四面体空隙由这个参与构成。
所以共有8个四面体空隙与其直接相邻，由于每个四面体空隙由4个球构成，所以属于这个球的四面体空隙数为8×1/4=2。
2-6 临界半径比的定义是：紧密堆积的阴离子恰好互相接触，并与中心的阳离子也恰好接触的条件下，阳离子半径与阴离子半径之比。
即每种配位体的阳、阴离子半径比的下限。
计算下列配位的临界半径比：（a）立方体配位；（b）八面体配位；（c）四面体配位；（d）三角形配位。
解：（1）立方体配位在立方体的对角线上正、负离子相互接触，在立方体的棱上两个负离子相互接触。
因此：（2）八面体配位在八面体中，中心对称的一对阴离子中心连线上正、负离子相互接触，棱上两个负离子相互接触。
因此：（3）四面体配位在四面体中中心正离子与四个负离子直接接触，四个负离子之间相互接触（中心角）。
因此：底面上对角中心线长为：（4）三角体配位在三角体中，在同一个平面上中心正离子与三个负离子直接接触，三个负离子之间相互接触。
因此：2-7 一个面心立方紧密堆积的金属晶体，其原子量为M，密度是8.94g/cm3。
试计算其晶格常数和原子间距。
解：根据密度定义，晶格常数原子间距=2-8 试根据原子半径R计算面心立方晶胞、六方晶胞、体心立方晶胞的体积。
解：面心立方晶胞：六方晶胞（1/3）：体心立方晶胞：2-9 MgO具有NaCl结构。
根据O2-半径为0.140nm和Mg2+半径为0.072nm，计算球状离子所占据的体积分数和计算MgO的密度。
并说明为什么其体积分数小于74.05%？解：在MgO晶体中，正负离子直接相邻，a0=2(r++r-)=0.424(nm)体积分数=4×(4π/3)×(0.143+0.0723)/0.4243=68.52%密度=4×(24.3+16)/[6.023×1023×(0.424×10-7)3]=3.5112(g/cm3)MgO体积分数小于74.05%，原因在于r+/r-=0.072/0.14=0.4235>0.414，正负离子紧密接触，而负离子之间不直接接触，即正离子将负离子形成的八面体空隙撑开了，负离子不再是紧密堆积，所以其体积分数小于等径球体紧密堆积的体积分数74.05%。
2-10 半径为R的球，相互接触排列成体心立方结构，试计算能填入其空隙中的最大小球半径r。
体心立方结构晶胞中最大的空隙的坐标为（0，1/2，1/4）。
解：在体心立方结构中，同样存在八面体和四面体空隙，但是其形状、大小和位置与面心立方紧密堆积略有不同（如图2-3所示）。
设：大球半径为R，小球半径为r。
则位于立方体面心、棱心位置的八面体空隙能够填充的最大的小球尺寸为：位于立方体（0.5,0.25,0）位置的四面体空隙能够填充的最大的小球尺寸为：2-11 纯铁在912℃由体心立方结构转变成面心立方，体积随之减小1.06%。
根据面心立方结构的原子半径R面心计算体心立方结构的原子半径R体心。
解：因为面心立方结构中，单位晶胞4个原子，；而体心立方结构中，单位晶胞2个原子，所以，解得：RF=1.0251RI，或RI=0.9755RF第三章晶体结构3-1 名词解释（a）萤石型和反萤石型（b）类质同晶和同质多晶（c）二八面体型与三八面体型（d）同晶取代与阳离子交换（e）尖晶石与反尖晶石答：（a）萤石型：CaF2型结构中，Ca2+按面心立方紧密排列，F-占据晶胞中全部四面体空隙。
反萤石型：阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。
（b）类质同象：物质结晶时，其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其它离子或原子所占有，共同组成均匀的、呈单一相的晶体，不引起键性和晶体结构变化的现象。
同质多晶：同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。
（c）二八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体型结构三八面体型：在层状硅酸盐矿物中，若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体型结构。
（d）同晶取代：杂质离子取代晶体结构中某一结点上的离子而不改变晶体结构类型的现象。
阳离子交换：在粘土矿物中，当结构中的同晶取代主要发生在铝氧层时，一些电价低、半径大的阳离子（如K+、Na+等）将进入晶体结构来平衡多余的负电荷，它们与晶体的结合不很牢固，在一定条件下可以被其它阳离子交换。
（e）正尖晶石：在AB2O4尖晶石型晶体结构中，若A2+分布在四面体空隙、而B3+分布于八面体空隙，称为正尖晶石；反尖晶石：若A2+分布在八面体空隙、而B3+一半分布于四面体空隙另一半分布于八面体空隙，通式为B(AB)O4，称为反尖晶石。
3-2 （a）在氧离子面心立方密堆积的晶胞中，画出适合氧离子位置的间隙类型及位置，八面体间隙位置数与氧离子数之比为若干？四面体间隙位置数与氧离子数之比又为若干？（b）在氧离子面心立方密堆积结构中，对于获得稳定结构各需何种价离子，其中：（1）所有八面体间隙位置均填满；（2）所有四面体间隙位置均填满；（3）填满一半八面体间隙位置；（4）填满一半四面体间隙位置。
并对每一种堆积方式举一晶体实例说明之。
解：（a）参见2-5题解答。
（b）对于氧离子紧密堆积的晶体，获得稳定的结构所需电价离子及实例如下：（1）填满所有的八面体空隙，2价阳离子，MgO；（2）填满所有的四面体空隙，1价阳离子，Li2O；（3）填满一半的八面体空隙，4价阳离子，TiO2；（4）填满一半的四面体空隙，2价阳离子，ZnO。