为什么硅氧正四面体体在熔体中会发生聚和或解...

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材料科学基础(武汉理工大学_张联盟版)课后习题及答案
导读:第四章答案,解:聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位,∴MgO中固溶18%wt的Al2O3后的分子式为:2.035MgO?0.176Al2O3或Mg2.035Al0.352O2.563(4)(4)式各项除以2.563得Mg0.794Al0.137O(5)由(5)式得x=0.137代入(2)(3)式,对(a)有即(b)有设:固溶前后晶胞体积不变,则密度变化为:(,分别代表固溶前后密度)所以,固溶
∴MgO中固溶18%wt的Al2O3后的分子式为:
2.035MgO?0.176Al2O3或Mg2.035Al0.352O2.563(4)
(4)式各项除以2.563得Mg0.794Al0.137O(5)
由(5)式得x=0.137代入(2)(3)式,
对(a)有 即
设:固溶前后晶胞体积不变,则密度变化为:
(,分别代表固溶前后密度) 所以,固溶后的密度小于固溶前的密度。 3-22对硫铁矿进行化学分析:按分析数据的Fe/S计算,得出两种可能的成分:Fe1-xS和FeS1-x,前者意味着是Fe空位的缺陷结构,后者是Fe被置换。设想用一种实验方法以确定该矿物究竟属哪一类成分?
解:Fe1-xS中存在Fe空位,
存在S空位,存在
导体性质即可。 2-非化学计量,存在hP型半导体;FeS1-x中金属离子过剩,?N型半导体;因Fe1-xS、FeS1-x分属不同类型半导体,通过实验确定其半
3-23说明为什么只有置换型固溶体的两个组分之间才能相互完全溶解,而填隙型固溶体则不能。
解:(1)晶体中间隙位置是有限的,容纳杂质质点能力&10%;(2)间隙式固溶体的生成,一般都使晶格常数增大,增加到一定的程度,使晶格变得不稳定而离解;置换固溶体形成是同号离子交换位置,不会对接产生影响,所以可形成连续固溶体。
3-24对于MgO、Al2O3和Cr2O3,其正、负离子半径比分别为0.47、0.36和0.40,则Al2O3和Al2O3形成连续固溶体。(1)这个结果可能吗?为什么?(2)试预计,在MgO-Cr2O3系统中的固溶度是有限的还是无限的?为什么?
解:(1)Al2O3与Cr2O3能形成连续固溶体,
原因:1)结构内型相同,同属于刚玉结构。
(2)MgO与Cr2O3的固溶度为有限
原因:结构类型不同MgO属于NaCl型结构,Cr2O3属刚玉结构。 虽然
也不可能形成连续固溶体。
3-25某种NiO是非化学计量的,如果NiO中Ni/Ni=10,问每1m中有多少载流子? 解:设非化学计量化合物为NixO,
Ni2yNi1-3yONi/Ni=2y/(1-3y)=10
-5则y=5×10,x=1-y=0.99995,Ni0.99995O
每m中有多少载流子即为空位浓度:[33+2+3+2+-x3+2+-432+3+ ]=y/(1+x)=2.5×10。 -5
3-26在MgO-Al2O3和PbTiO3-PbZrO3中哪一对形成有限固溶体,哪一对形成无限固溶体,为什么?
解:MgO-AL2O3:,即rMg、rAl半径相差大,MgO(NaCl型)、AL2O3(刚玉)结构类型差别大,形成有限固溶体;
4+4+PbTiO3-PbZrO3形成无限固溶体,因为尽管Ti、Zr半径相差较大(15.28),但都是(ABO3)
4+4+钙钛矿型结构,Ti、Zr都填充八面体空隙,该空隙体积较大,可填入的阳离子的半径r
值可在一定范围内变化,而不至于使结构变化。
3-27CeO2为萤石结构,其中加入15mol%CaO形成固溶体,测得固溶体密度d=7.01g/cm,晶胞参数a=0.5417nm,试通过计算判断生成的是哪一种类型固溶体。已知原子量Ce140.12,Ca40.08,O16.00。
解:对于CaO-CeO2固溶体来说,从满足电中性来看,可以形成氧离子空位的固溶体也可形
2+成Ca嵌入阴离子间隙中的固溶体,其固溶方程为:
对于置换式固溶体有x=0.15,1-x=0.85,2-x=1.85,所以置换式固溶体化学式Ca0.15Ce0.85O1.85。有因为CeO2属于萤石结构,晶胞分子数Z=4,晶胞中有Ca、Ce、O三种质点。 晶胞质量
对于间隙固溶体,其化学式Ca2yCe1-yO2,与已知组成Ca0.15Ce0.85O1.85相比,O不同, Ca0.15Ce0.85O1.85Ca0.15×2/1.85Ce0.83×2/1.85O2
∴间隙式固溶体化学式Ca0.13×2/1.85Ce1.7/1.85O2
实测密度为d=7.01,接近于d2
∴形成间隙固溶体,存在间隙Ca离子
第四章答案
4-2试简述硅酸盐熔体聚合物结构形成的过程和结构特点。
解:聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位,组成大小不同的聚合体。可分为三个阶段: 初期:石英的分化,架状[SiO4]断裂,在熔体中形成了各种聚合程度的聚合物。 中期:缩聚并伴随变形一般链状聚合物易发生围绕Si-O轴转动同时弯曲,层状聚合物使层本身发生褶皱、翘曲、架状聚合物热缺陷增多,同时Si-O-Si键角发生变化。
[SiO4]Na4+[Si2O7]Na6――[Si3O10]Na8+Na2O(短键)
3[Si3O10]Na8――[Si6O18]Na12+2Na2O(六节环)
后期:在一定时间和温度范围内,聚合和解聚达到平衡。缩聚释放的Na2O又能进一步侵蚀石英骨架而使其分化出低聚物,如此循环,直到体系达到分化-缩聚平衡为止。 4-3试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2熔体。它们的结构有什么不同? 解:利用X射线检测。
晶体SiO2――质点在三维空间做有规律的排列,各向异性。
SiO2熔体――内部结构为架状,近程有序,远程无序。
SiO2玻璃――各向同性。
硅胶――疏松多孔。
4-4影响熔体粘度的因素有哪些?试分析一价碱金属氧化物降低硅酸盐熔体粘度的原因。 解:(1)影响熔体粘度的主要因素:温度和熔体的组成。
碱性氧化物含量增加,剧烈降低粘度。
随温度降低,熔体粘度按指数关系递增。
(2)通常碱金属氧化物(Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O)能降低熔体粘度。这些正离子由于
2-电荷少、半径大、和O的作用力较小,提供了系统中的“自由氧”而使O/Si比值增加,导致原来硅氧负离子团解聚成较简单的结构单位,因而使活化能减低、粘度变小。
4-5熔体粘度在727℃时是10Pa?s,在1156℃时是10Pa?s,在什么温度下它是10Pa?s? 736解:根据
727℃时,η=10Pa?s,由公式得:7(1) 1156℃时,η=10Pa?s,由公式得:3(2)
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第七章 硅酸盐熔体
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