武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案(3)

化合物 16、略。

变化 17、解：设AL2O3、MgO总重量为100g，则AL2O318g，MgO82g， 溶入MgO中AL2O3的mol数：AL2O3 mol%=

=0.08=8%, MgO mol%=1-8%=92%,

固溶体组成：8% AL2O3，92%MgO，固溶体组成式：Al0.16Mg0.92O1.16 (a) AL2O3

2ALMg2 + 2OO + Oi’’

X 2x x 固溶体化学式：Al2xMg1-2xO1+x 将化学式与组成式一一对应，求出待定参数x，由于O2-的量不同，将O2-的量化为1 Al0.16/1.16Mg0.92/1.16O

Al2x/1+xMg1-2x/1+xO

x=0.074，化学式Al0.148Mg0.852O1.074

d理想 = （b）AL2O3

，

=1.04

2ALMg2 + 3OO + OMg’’

x 2x x Al2xMg1-3xO

18、解：Fe1-xS中存在Fe空位，VFe’’非化学计量，存在h2 P型半导体；FeS1-x中金属离子过剩，存在S2-空位，存在e’，N型半导体；因Fe1-xS、FeS1-x分属不同类型半导体，通过实验确定其半导体性质即可。

19、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

Al0.16/1.16Mg0.92/1.16O

x=

Al0.138Mg0.793O

=0.97

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。 20、解：

r大-r小/ r大=4.2%<15% Ta—W 电负性：1.5-1.7=-0.2 结构类型：体心立方 相同 r大-r小/ r大=20.7%>15% Pt—Pd 电负性差=2.2-2.2=0 结构类型：面心立方 r大-r小/ r大=0.4%<15% Co—Ni 电负性差：1.8-1.6=0.2 当T<427℃，Co Zn结构类型相同 r大-r小/ r大=2.12%<15% Ti—Ta 电负性差=1.5-1.5=0 当T>883℃，Ti Ta结构类型相同 形成有限固溶体 形成连续固溶体 可形成连续固溶体 可形成连续固溶体 21、解：（a）∵r大-r小/ r大=10%<15%，∴AL2O3和Cr2O3能形成连续固溶体； （b）MgO—Cr2O3中，r大-r小/ r大=15%，加之两者结构不同，∴固溶度是有限的。 22、解：设非化学计量化合物为NixO， Ni2O3

2NiNi2 + 3OO + VNi’’

Ni3+/Ni2+=2y/(1-3y)=10-x

y 2y y Ni3+2yNi2+1-3yO则y=5310， x=1-y=0.99995，

-5

Ni0.99995O

每m3中有多少载流子即为空位浓度：[VNi’’]=y/(1+x)=2.5310-5。

23、解：MgO-AL2O3：r大-r小/ r大=15%，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；

PbTiO3-PbZrO3形成无限固溶体，因为尽管Ti4+、Zr4+半径相差较大（15. 28）,但都是（ABO3）钙钛矿型结构，Ti4+、Zr4+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。

24、解：（1）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Ca0.15Zr0.85O1.85。有因为ZrO2属于萤石结构，晶胞分子数Z=4，晶胞中有Ca2+、Zr4+、O2-三种质点。 晶胞质量

d置 =

=5.55g/cm3；

（2）对于间隙固溶体，其化学式Ca2yZr1-yO2，与已知组成Ca0.15Zr0.85O1.85相比，O2-不同， Ca0.15Zr0.85O1.85

Ca0.1532/1.85Zr0.3/1.85O2

∴间隙式固溶体化学式Ca0.332/1.85Zr1.7/1.85O2 晶胞质量

d间=

=6.014g/cm3，由此可判断生成的是置换型固溶体。

第四章 非晶体结构与性质

1．试述石英晶体、石英熔体、Na2O?2SiO2熔体结构和性质上的区别。

2．某熔体粘度在727℃时是108泊，1156℃时是104泊，要获得粘度为107泊的熔体，要加热到什么温度?

3．在Na2O—SiO2系统及RO—SiO2系统中随着SiO2含量的增加，熔体的粘度将升高而表面张力则降低，说明原因。

4．说明在一定温度下同组成的玻璃比晶体具有较高的内能及晶体具有一定的熔点而玻璃体没有固定熔点的原因。

5．某窗玻璃含14Na2O－14CaO－72SiO2(重量百分数)，求非桥氧百分数。

6．网络外体(如Na2O)加到SiO2熔体中，使氧硅比增加，当O/Si≈2.5～3时，即达到形成玻璃的极限，

O/Si>3时，则不能形成玻璃，为什么?

7．按照在形成氧化物玻璃中的作用，把下列氧化物分为网络变体，中间体和网络形成体： SiO2，Na2O，B2O3，CaO，Al2O3，P2O5，K2O，BaO。 8．以B203为例解释具有混合键氧化物容易形成玻璃的原因。

9．试述微晶学说与无规则网络学说的主要观点，并比较两种学说在解释玻璃结构上的共同点和分歧。 10．什么是硼反常现象? 为什么会产生这些现象?

11．已知石英玻璃的密度为2.3g/cm3，假定玻璃中原子尺寸与晶体SiO2相同，试计算该玻璃的原于堆积系数是多少?

12．根据教材的T—T—T曲线，计算A、B、C三种物质的临界冷却速度，哪一种物质易形成玻璃?哪一种难形成玻璃?

答案

1. 1 、解： 结构 石英晶体 [SiO4] 按共顶方式石英熔体 基本结构单元 Na2O?2SiO2 基本结构单元 12-对称有规律有序排列， [SiO4] 呈架状结构， [Si6O18] 呈六节环或八节环， 远程有序 远程无序 远程无序 性质 固体无流动性，熔有流动性，η大，有流动性，η较石英点高，硬度大，导电性电导率大，表面张力大 熔体小，电导率大，表面差，结构稳定，化学稳定性好 2、解：根据lnη=A+B/T，727℃时，η=108P0，1156℃时，η=104P0，∴A=-5.32，B=13324，当η=107P0时，则t=80℃。

3、解：Na2O-SiO2系统中，SiO2含量增加，η增大，σ减小；因为SiO2含量增加，聚合离子团尺寸增大，迁移阻力增大，η增大，e/r减小，相互作用力减小，σ减小；RO-SiO2系统中，SiO2含量增加，η增大，σ减小；因为无SiO2时RO-O2系统η很低，表面张力大；加入SiO2，系统中出现聚合离子团，SiO2增加，聚合离子团尺寸增大，数目增大，

张力大 η增大，σ减小。

4、解：玻璃的介稳性：熔体转变为玻璃过程中，是快速冷却，使玻璃在低温下保留了高温时的结构状态，玻璃态是能量的介稳态，有自发放热而转变为晶体的趋势；玻璃无固定熔点：熔体的结晶过程中，系统必有多个相出现，有固定熔点；熔体向玻璃体转变时，其过程是渐变的，无多个相出现，无固定的熔点，只有一个转化温度范围。 5.

6、解：在熔体结构中，不O/Si比值对应着一定的聚集负离子团结构，如当O/Si比值为2时，熔体中含有大小不等的歪扭的[SiO2]n聚集团（即石英玻璃熔体）；随着O/Si比值的增加，硅氧负离子集团不断变小，当O/Si比值增至4时，硅-氧负离子集团全部拆散成为分立状的[SiO4]4-，这就很难形成玻璃。 7、解：网络变体 Na2O CaO K2O BaO 中间体 Al2O3

网络形成体 SiO2 B2O3 P2O5 8、略。

9、解：微晶学说：玻璃结构是一种不连续的原子集合体，即无数“晶子”分散在无定形介质中；“晶子”的化学性质和数量取决于玻璃的化学组成，可以是独立原子团或一定组成的化合物和固溶体等微晶多相体，与该玻璃物系的相平衡有关；“晶子”不同于一般微晶，而是带有晶格极度变形的微小有序区域，在“晶子”中心质点排列较有规律，愈远离中心则变形程度愈大；从“晶子”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界限。无规则网络学说：玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样形成连续的三维空间网络结构。但玻璃的网络与晶体的网络不同，玻璃的网络是不规则的、非周期性的，因此玻璃的内能比晶体的内能要大。由于玻璃的强度与晶体的强度属于同一个数量级，玻璃的内能与相应晶体的内能相差并不多，因此它们的结构单元（四面体或三角体）应是相同的，不同之处在与排列的周期性。微晶学说强调了玻璃结构的不均匀性、

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