綜合測試9及答案無機材料科學基礎.pdfVIP

測試九 問答與計算 1（5分）Si和Al的原子量非常接近（分別為28.09和26.98），但 SiO2及Al2O3的密度相差很大（分別為 2.65 g/cm3及 3.96 g/cm3）試運 用晶體結構及鮑林規(guī)則說明這一差別。 2（15分）石墨、云母和高嶺石具有相似的結構，請分析它們結構 的區(qū)別以及由此引起的性質(zhì)上的差異。 3（1）（5分）在MgO晶體中，肖特基缺陷的生成能為6 ev，分別 計算 25 和 1600時熱缺陷的濃度。（2）（5分）如果MgO晶體 中，含有百萬分之一的Al2O3雜質(zhì)，則在 1600 時，MgO晶體中是熱 缺陷占優(yōu)勢還是雜質(zhì)缺陷占優(yōu)勢？請說明原因。 4（15分）非化學計量缺陷的濃度與周圍氣氛的性質(zhì)、壓力大小相 關，如果增大周圍氧氣的分壓，非化學計量化合物的密度將發(fā)生怎樣的 變化？為什么？ 5（10分）在組成為16Na2O.xB2O3.(84-x)SiO2的熔體中，當x 15mol時，增加B2O3 的含量，反而會使粘度降低，為什么？ 6（10分）用Na2CO3和Na2SiO3分別稀釋同一粘土泥漿，試比較電 解質(zhì)加入量相同時，兩種泥漿的流動性、觸變性和坯體致密度的大小。 7（10分）試說明 中各項所代表的意義，并解釋同樣是間隙擴散機構，為什么在相同的溫 度下，雜質(zhì)在介質(zhì)中的擴散系數(shù)比介質(zhì)本身形成間隙離子的擴散系數(shù) 大？ 8（10分）擴散系數(shù)與哪些因素有關？為什么？為什么可以認為濃 度梯度大小基本上不影響D值，但濃度梯度大則擴散得快又如何解釋？ 9（1）（8分）當測量氧化鋁水化物的分解速率時，一個學生發(fā) 現(xiàn)在等溫實驗期間，重量損失隨時間線性增加到50左右。超出50 時重量損失的速率就小于線性規(guī)律。線性等溫速率隨溫度指數(shù)地增加， 溫度從 451增加到 493時速率增大10倍，試計算反應活化能。 （2）（7分）何謂礦化劑？在固相反應中加入少量礦化劑可促進反應加 速進行，解釋其原因。 10（10分）為什么在成核生長機理相變中，要有一點過冷或過熱才 能發(fā)生相變？什么情況下需要過冷，什么情況下需要過熱？ 11（10分）當球形晶核在液態(tài)中形成時，整個自由焓的變化G 4r2+4/3r3Gv，式中r為球形晶核的半徑，為液態(tài)中晶核的表面 能，Gv為液相中單位體積晶核形成的體積自由焓變。求證晶核的臨界 半徑rc和成核勢壘Gc。如在液態(tài)中形成邊長為a的立方體晶核時，求晶 核的臨界立方體邊長ac和成核勢壘Gc。 12（10分）在 1500 MgO正常晶粒長大期間，觀察到晶體在 1小 時內(nèi)從 1 m直徑長大到10 m。如已知晶界擴散能為60 kcal/mol，試 推測在 1600 下 4小時后晶粒的大小，并解釋為什么在燒結粉末體中 加入少量添加物可促進燒結？ 13如圖所示為ABC三元系統(tǒng)相圖，在ABC內(nèi)有D1、D2、 D3、D4四個化合物。 （1）（2分）說明四個化合物的性質(zhì)； （2）（8分）劃分副三角形，分析E、F、G、H、I、J、K點的性質(zhì)， 并寫出相平衡方程式； （3）（2分）用箭頭標出DABC邊上及各界線上的溫降方向，并判斷 各界線性質(zhì)； （3）（5分）分析點配料組成為M的熔體從高溫冷卻至低溫的平衡析 晶過程，寫出相平衡表達式； （4）（3分）計算M熔體在冷卻析晶過程中，其液相組成剛達到結晶 結束點時，平衡共存各相的百分含量。 答案九 1（5分）Si和Al的原子量非常接近（分別為28.09和26.98），但SiO2 及Al2O3的密度相差很大（分別為2.65 g/cm3及3.96 g/cm3）試運用晶體 結構及鮑林規(guī)則說明這一差別。 解：在Al2O3中，Al3+的擇優(yōu)配位數(shù)為6，鍵強度為 ，要求四個鋁原子與每個O2-直接相鄰；而O2-采取近似六方密堆積排 列，鋁原子充填于三分之二的八面體空隙中，使Al2O3晶體結構緊密， 孔隙率低。在SiO2晶體中，Si4+屬于高價低配位性質(zhì)的正離子，為求穩(wěn) 定，則整個結構以硅氧四面體SiO4頂角相聯(lián)成骨架結構，結構疏松， 空隙率大。從而可知，SiO2的單位晶胞體積比Al2O3大得多。在 兩者原 子量接近的情況下，SiO2晶體的密度就會顯得小得多。 2（15分）石墨、云母和高嶺石具有相似的結構，請分析它們結構的 區(qū)別以及由此引起的性質(zhì)上的差異。 解：石墨、云母和高嶺石均具有層狀結構，但層的形狀及層間情況各 不相同。石墨的每層基面上的碳原子有強的定向共價鍵結合在一起形成 六角形排列，層與層之間由微弱的范德華力鍵合，使石墨結構具有很強 的方向性，表現(xiàn)出垂直于層方向的線膨脹系數(shù)比層平面方向大27倍。 云母具有復網(wǎng)層狀（21層狀）結構，其硅氧片中有四分之一的 Si4+被Al3+取代，表現(xiàn)出荷電性，于是在兩復網(wǎng)層的六節(jié)環(huán)間隙中，存 在著配位數(shù)為12的K+。K+呈統(tǒng)計分布，與硅氧層的結合能力較弱，所 以云母在層面上易發(fā)生解理，可被剝成片狀。 高嶺石的結構是單網(wǎng)層狀（1：1層狀），層與層以氫鍵相聯(lián)成一整 體。由于層間的結合力弱（比分子間力強），使它容易理解為片狀小晶 體，但OH-O之間仍有一定的吸引力，單網(wǎng)層間不易進入水分子，故不 因水含量增加而發(fā)生膨脹。 3（1）（5分）在MgO晶體中，肖特基缺陷的生成能為6 ev，分別計 算25 和1600時熱缺陷的濃度。（2）（5分）如果MgO晶體中，含 有百萬分之一的Al2O3雜質(zhì)，則在1600 時，MgO晶體中是熱缺陷占優(yōu) 勢還是雜質(zhì)缺陷占優(yōu)勢？請說明原因。 解：（1）根據(jù)熱缺陷濃度公式 已知： 當T25298K及T16001873K時， （2）在MgO中加入Al2O3的雜質(zhì)缺陷反應為： （1） 由（1）式可知：Al2O3VMg 當加入106 Al2O3時，雜質(zhì)缺陷的濃度為VMg雜Al2O310 6 而在1600下的熱缺陷VMg熱8109 顯然：VMg雜VMg熱 即：雜質(zhì)缺陷占優(yōu)勢。 4（15分）非化學計量缺陷的濃度與周圍氣氛的性質(zhì)、壓力大小相 關，如果增大周圍氧氣的分壓，非化學計量化合物的密度將發(fā)生怎樣的 變化？為什么？ 解：TiO2x、ZrO2x氧離子空位型：有 ，則PO2： ，密度 或 Fe1xO、Cu2-xO陽離子空位型：有 ，則PO2： ，密度 或 Zn1+x和Cd1+xO陽離子填隙型：有 ，則PO2： ，密度 UO2+x氧離子填隙型：有 ，則PO2： ，密度 5（10分）在組成為16Na2O.xB2O3.(84-x)SiO2的熔體中，當x 15mol時，增加B2O3 的含量，反而會使粘度降低，為什么？ 解：當x=0時，組成為16Na2O. 84SiO2 R= = =2.19 x=2 RZ=22.194=0.38（平均非橋氧數(shù)）結構中的每個SiO4 中有0.38個非橋氧，存在部分斷網(wǎng)。 （1）當x1 游離氧充足 引入的B3+處于BO4中，加入到SiO4中，網(wǎng)絡起連網(wǎng)作用，聚合程 度增加，粘度增加。 （2）x=15mol%時（考慮到Na2O的揮發(fā)，一般為 =1）結構最緊密，粘度最大。 （3）x15mol%時, CaSiO3 （b）式反應更完全，能形成更多的Na粘土，電位 粘度 流動性 （3）SiO32為硅酸鹽聚合陰離子，帶負電，其表面幾何形狀與粘土 顆粒邊界相適應，則易被吸附在粘土顆粒邊面上（或吸附在版面上）。 當粘土邊面帶正電荷時，它能有效地中和邊面正電荷；當粘土邊面不帶 電荷時，它能被吸附在邊面上使之帶上負電荷。由于這種聚合陰離子的 作用，導致原來粘土顆粒間邊面、邊邊結合轉變?yōu)槊婷媾帕校?來面面排列的顆粒間斥力進一步增加，則泥漿充分被稀釋，粘度， 流動性。 7（10分）試說明 中各項所代表的意義，并解釋同樣是間隙擴散機構，為什么在相同的溫 度下，雜質(zhì)在介質(zhì)中的擴散系數(shù)比介質(zhì)本身形成間隙離子的擴散系數(shù) 大？ 解： 決定于晶體結構的幾何因子，對于體心或面心立方1 a0晶體的晶格常數(shù) 0原子在晶格平衡位置上的振動頻率（約1013次秒） 、 空位（缺陷）形成熵、熱焓 、 空位（缺陷）遷移熵、熱焓 R氣體常數(shù)，R8.314J/molK T溫度（K） 對雜質(zhì)而言， 0 而Q + Q：D， 即：雜質(zhì)的擴散系數(shù)大 8（10分）擴散系數(shù)與哪些因素有關？為什么？為什么可以認為濃度 梯度大小基本上不影響D值，但濃度梯度大則擴散得快又如何解釋？ 解：影響擴散系數(shù)D的因素： （1） T D； Q D （2）擴散物質(zhì)的性質(zhì)：擴散粒子性質(zhì)與擴散介質(zhì)性質(zhì)間差異越大， D值越大。擴散粒子半徑越小，D值越大。 （3）擴散介質(zhì)的結構：結構越致密，D越小。 （4）位錯、晶界、表面：處于位錯、晶界、表面處的質(zhì)點，D較 大。 D表面（107cm2/s）D晶界（1010 cm2/s）D內(nèi)部（1014 cm2/s） （5）雜質(zhì)（第三組元）： 第三組元與擴散介質(zhì)形成化合物對擴散離子產(chǎn)生附加鍵力，則D 減小。 第三組元不與擴散介質(zhì)形成化合物使擴散介質(zhì)晶格產(chǎn)生畸變，則 D增大。 （6）粘度： r：D；：D 由于： D為比例系數(shù)，與 無關 可以認為濃度梯度大小基本上不影響D值。但 ： ，擴散得快 9（1）（8分）當測量氧化鋁水化物的分解速率時，一個學生發(fā)現(xiàn) 在等溫實驗期間，重量損失隨時間線性增加到50左右。超出50時 重量損失的速率就小于線性規(guī)律。線性等溫速率隨溫度指數(shù)地增加，溫 度從451增加到493時速率增大10倍，試計算反應活化能。（2） （7分）何謂礦化劑？在固相反應中加入少量礦化劑可促進反應加速進 行，解釋其原因。 解： 由題意可知：當T從451增加至493時， 故： 得：活化能 。 10（10分）為什么在成核生長機理相變中，要有一點過冷或過熱才 能發(fā)生相變？什么情況下需要過冷，什么情況下需要過熱？ 解：相變要自發(fā)進行必須 0即在相變過程放熱的情況下，系統(tǒng)必須“過冷”才 能使相變得以進行。 當 0時， 0，TOT0，系統(tǒng)必須過熱。 11當球形晶核在液態(tài)中形成時，整個自由焓的變化G4r2 +4/3r3Gv，式中r為球形晶核的半徑，為液態(tài)中晶核的表面能，Gv 為液相中單位體積晶核形成的體積自由焓變。求證晶核的臨界半徑rc和 成核勢壘Gc。如在液態(tài)中形成邊長為a的立方體晶核時，求晶核的臨 界立方體邊長ac和成核勢壘Gc。（10分） 解： 將rc代入 得： 如在液態(tài)中形成邊長為a的立方體晶核時， 則： ， 將ac代入 12在1500 MgO正常晶粒長大期間，觀察到晶體在 1小時內(nèi)從 1 m 直徑長大到10 m。如已知晶界擴散能為60 kcal/mol，試推測在1600 下 4小時后晶粒的大小，并解釋為什么在燒結粉末體中加入少量添加 物可促進燒結？（10分） 解：G2G02kt 1001k11 k199 1500 1600 添加物的作用： （1）與燒結物形成固熔體：使晶格畸變而活化，可降低燒結溫度， 提高燒結速度，對形成空位型或間隙型固熔體其作用尤為強烈。 （2）阻止晶型轉變：由于晶型轉變會帶來較大體積效應使致密化困 難，則阻止晶型轉變可促進燒結；抑止晶粒長大：主要是阻止二次再結 晶，抑止晶粒的異常長大。 （3）產(chǎn)生液相：A）形成低共熔體。B）添加物本身熔點低，由于液 體的存在大大促進顆粒重排和傳質(zhì)過程，則加入添加物，使得在較低溫 度下產(chǎn)生液相而促進燒結。