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材料科学基础习题及答案.pdf

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1、第一章 结晶学基础 第二章晶体结构与晶体中的缺陷1名词解释:配位数与配位体,同质多晶、类质同晶与多晶转变,位移性转变与重建性转变,晶体场理论与配位场理论。晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数(晶面指数)、离子晶体的晶格能、原子半径与 离子半径、离子极化、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.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

2、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面排列密度的定义为:在平面上球体所占的面积分数

3、。(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02-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,4=2后(111)面:面排列密度二 2r2/(4r2)*V3/2/2=/273=0.9 0 7(110)面:面排歹I密度=2疗2/(2后)=万/4亚=0.555 3、已知Mg?半径为0.0 72m n,0?一半径为o.i40 n m,计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。解:MgO为NaCl型,。2

4、做密堆积,Mg?+填充空隙。=0.140 n m,rMg2+=0.0 72n m,z=4,晶胞中 质点体积:(4/3X 7Tr 0 2+4/3X兀加2+3)X4,a=2(r+r.),晶胞体积二a堆积系数=品胞中MgO 体积/晶胞体积=6 8.5%,密度二晶胞中MgO质量/晶胞体积=3.49 g/c m:io4、(1)一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6 c,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:1=1/2:1/3:6:3:2:1,该晶面的米勒指数为(321);(2)(321)5试证明等径球体六方紧

5、密堆积的六方晶胞的轴比c/al.633o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:与合亚厅3/=2,2/3/劭=4J2/3厂/2/=252/3=1.6 33图2-2六方紧密堆积晶胞中有关尺寸关系不意图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6,六方:原子数6,配位数6,堆积密度74.04%;堆积密度74.04%o7设原子半径为R,试计算体心立方堆积结构的(100)、(110)、(111)面的

6、面排列密度 和晶面族的面间距。解:在体心立方堆积结构中:a=4/百R(100)面:面排列密度二 或2/(4/6氏)2=3)/16=0.589面间距二 a0/2=2/V37?=1.155 7?(110)面:面排列密度=2成2/(4/4尺)(4后方火)=3%/8五=0.833面间距二 4ia0/2=2V2737?=1.6 33 R(111)面:面排列密度二(做2/2)/(4行百/4=73/16=0.340面间距二6aoi2=2R8、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(C1-离子)为例,它的正下方有1个八面体空隙(

7、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 X 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义1/4二2。9、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

8、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:出+比力一产+出户作训r+fr_=(73-1)=0 732(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:(2/)2+(2 之)2=(2?+2?)2r+/r_=(72-1)=0.414(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180-2ar

9、c sin(l/73),=10 9.47)。因此:底面上对角中心线长为:2GM7(r_+r+)2-(2r./73)2=J(2乙产-(2力招尸一色+)(71-I)1+1/3/p-1)-0.2247(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:(2r_)2=r_2+仁+小心+L2r0 2=0.132/7/z/rSi4+=0.0 39刀加 rK+=0.133/7/z?rAi3+=0.0 57%rMg2,=0.0 78刀加10、从理论计算公式计算NaCl与MgO的晶格能。MgO的熔点为280 0 C,NaCl为80 1C,请说 明这种差别的原因

10、。解:u=z,z2e2NoA/roX(l-l/n)/4 7T 8.,e=l.6 0 2X 1019,8.=8.854X10 12,Nn=6.0 22X 1023,NaCl:Zi=l,z2=l,A=l.748,nNa+=7,nCi-=9,n=8,r0=2.819 10-10 m,u NaCl=752KJ/m ol;MgO:Zi=2,z2=2,A=l.748,市=7,nMg2 n=7,r0=2.10 10 m,uMgo=39 2KJ/m ol;VuMg0 uNac i,,MgO 的熔点 iWjo11、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4/3兀a3,求的

11、z=4,则球的总体积(晶胞)4X4/3 7Ta3,立 方体晶胞体积:(2J16 空间利用率二球所占体积/空间体积二74.1%,空隙率=1-74.1%=25.9%o12、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:Q二m/V 晶=1.74g/c n 3,V=1.37X10。13、根据半径比关系,说明下列离子与02配位时的配位数各是多?解:Si4+4;K+12;Al3+6;Mg2+6 o14、一个面心立方紧密堆积的金属晶体,其原子量为M,密度是8.9 4g/c m 3。试计算其晶格常 数和原子间距。解:根据密度定义,晶格常数aQ=加7(6.023乂10晨&94=0

12、.9 0 6 1/3(c w)=0.0 9 0 6 M1/3(M原子间距=2r=2x(V2/4)=0.0 9 0 6 M1/3/a/2=0.0 6 41Af1/3(w)15、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:/=劭=(2必幻3=16、份炉六方晶胞(1/3):,=劭%/2=(24(、阳2K)75/2=8以3体心立方晶胞:,=劭3=(4k/石)3=64/3后316、MgO具有NaCl结构。根据02-半径为0.140 n m和Mg2+半径为0.0 72n m,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:

13、在MgO晶体中,正负离子直接相邻,a0=2(r+r-)=0.424(n m)体积分数=4 X(47T/3)X(0.143+0.0 723)/0.4243=6 8.52%密度=4X(24.3+16)/6.023X10 23X(0.424X 10-7)3=3.5112(g/c m 3)MgO体积分数小于74.05%,原因在于r+/r-=0.0 72/0.14=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74.0 5%o17、半径为R的球,相互接触排列成体心立方结构,试

14、计算能填入其空隙中的最大小球半径 ro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:r=a2R=AtR-2R=0.30 9 4A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:r=(石/4)%K=54x(41 扬R-R=0.29 17?18、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

15、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,aQF=2a/2Af;而体心立方结构中,单位晶胞2个原子,劭了=(4/病号所以,(4)一冰丁-(2、须f)3”2(4八号了)=00106解得:RF=1.0 251RL 或 RI=0.9 755RF19、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Mn S 的晶胞参数均为a=0.52n m(在这两种结构中,阴离子是相互接触的)。若CaS(a=0.56 7n m)、Ca0(a=0.48n m)和Mg0(a=0.42n m)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

16、中a=5.20?,阴离子相互接触,a=2技工,rS2-=L84?;CaS中a=5.67?,阴-阳 离子相互接触,a=2(r+r),ArCa 2+=0.95?;CaO 中 a=4.80?,a=2(r+r),.,.r0 2=1.40?;MgO 中 a=4.20?,a=2(r+r.),rMg2+=0.70?o20、氟化锂(LiF)为NaCl型结构,测得其密度为2.6 g/c m 3,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,p=m/V=2.6 g/c m3,a=4.0 5?,根据离子半径a=2(r+r-)=4.14?,a

17、0.30 1?,二。?不能互 相接触;(2)体对角线=、q a=4(r+r),a=4.665?;(3)p=m/V=l.9 6 3g/c m3.22、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:n J+与卜2+不同,rCa2+rMg2+,使CaO结构较MgO疏松,40易于进入,所以活泼。23、根据CaF?晶胞图画出CaF z晶胞的投影图。0(100)50 0(100)0(100)50 0(100)24、算一算Cd L晶体中的及CaTiO,晶体中0,.的电价是否饱和。解:Cd L晶体,Cd:CN=6,r与三个在同一边的。王节目连;r;CN=3,=l=|z

18、|.丁 avr电价饱和;CaTiO,晶体,C竟 CN=12,Ti*:CN=6,0:OTiCa :CN=6 =2=|z.:|,7-C7V0)电价饱和.25、(1)画出作而心立方堆积时,各四面体空隙和八面体空隙的所在位置(以一个晶胞为结 构基兀表示出来)。(2)计算四面体空隙数、八而休空隙数与。2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 出一个例子。(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)填满一半四面体空隙位置;(d)填满一半八面休空隙位置。解:(1)略;(2)四面体空隙数/02-数=2:1,八面体空隙数/02-数=1

19、:1;(3)(a)CN=4,z+/4X8=2,z+=l,Na20,Li20;(b)CN=6,z+/6X6=2,z+=2,F e O,Mn O;(c)CN=4,z+/4X4=2,z+=4,Zn S,SiC;(d)CN=6,z+/6 X3=2,z+=4,Mn 0 2o 26、下列硅酸盐矿物各属何种结构类型:Mg2SiO,KAISi308,CaMgSi2O6,Mg3Si4Olo(0 H)2,Ca2Al AlSiO7 o 解:岛状;架状;单链;层状(复网);组群(双四面体)。27、根据Mgz ISiO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)-的电价

20、是否饱和?(3)晶胞的分子数是多少?(4)Si和Mg?-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,SiOj,MgO6,同层的MgO6八面体共棱,如59MgO6和49MgO6 共棱7 502-和2702.,不同层的MgOj八面体共顶,如1 Mg06和51 Mg06共顶是2203同层的Mg06 与SiOj共顶,如 TMgO6和 7SiOj共顶 2203不同层的MgOf与SiOj共棱,TiMgOf和 43SiO4 共 28()2-和 28()2-;(2)O与 3 个MgOj和 1 个S10,酉己位,v=2=|z|,饱和;(3)z=4;(3)z=4;(4)Si占四面体空隙=

21、1/8,Mg占八面体空隙=1/2。28、石棉矿如透闪石Ca2Mg5取4。”(0 H)2具有纤维状结晶习性,而滑石Mgz ISiQ。(OHC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-0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Si0 4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。29、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TT键,每一层都是六边形

22、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。30、(1)在硅酸盐晶体中,AK为什么能部分置换硅氧骨架中的Si,.;(2)A-置换SF后,对硅酸盐组成有何影响?(3)用电价规则说明A1*置换骨架中的Si,+时,通常不超过一半,否则将使结构不稳定。解:(1)AK可与()2-形成用10丁一;AK与Si,.处于第二周期,性质类似,易于进入硅酸盐晶体 结构中与Siq,发生同晶取代,由于鲍林规则,只能部分取代;(2)A13+置换Si“+是部分取代,A1取代Si*时,结构单元AlSiO,HASiOM,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

23、大而电荷较低的阳离子如仁、Ca/Ba?*进入结构中;(3)设Al,-置换了 一半的Si,则(T与一个Si一个A产相连,阳离子静电键强度=3/4Xl+4/4X 1=7/4,(T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。31、说明下列符号的含义:VNa,VU,Vc,.(VVc i),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、CF空位形成的缔合中心;Cd?+占据K.位置,带一个单位正电荷;Ca原子位于Ca 原子位置上;Ca?+处于晶格间隙位置。32、写出下列缺陷反应式:(DNa

24、Cl溶入CaCk中形成空位型固溶体;(2)CaCk溶入NaCl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)NaCl-Na屋+ClCi+Vc/(2)CaCl2-CaNa+2c le+V(3)Oc V+Vc i(4)AgAg VAg+Agi33、弗仑克尔缺陷:晶体内部质点由于热起伏的影响,质点从正常位置位移到晶体内部的间隙 位置上,正常位置上出现空位。34、什么是肖特基缺陷、弗兰克尔缺陷?他们属于何种缺陷,发生缺陷时位置数是否发生变 化?答:肖特基缺陷:晶体的结构基元,从正常的结点位置上位移到晶体的表面而正常位置上出现 了空位,这种缺

25、陷即是。位置数增殖,体积增大。弗兰克尔缺陷:晶体结构中的结构基元,从正常的结点位置上位移到晶体的间隙位置上,而正 常位置上出现了空位,这种缺陷即是。位置数不增殖,体积不增大。35、什么是非化学计量化合物:化合物原子数量的比例,不符合定比定律,即非简单的固定比 例关系。36、Zr0 2中加入Y20 3形成置换固溶体,写出缺陷反应式?答:Y20 3-(2ZrO2)-2Yz r +30 o+Vo,Y20 3-(2ZrO2)-2YZr3+2e+30 o+Voo。37、试写出少量MgO掺杂到AUh中和少量YF 3掺杂到CaF?中的缺陷方程。(a)判断方程的 合理性。(b)写出每一方程对应的固溶式。解:3

26、MgO 独口,2MgN+Mg+300(1)2MgO,铀02Mg ai+”曲.2弘1+30。+20。YR 鸣)Y&+F;+2Ff(3)2YF 鸣 2YOz+vCa+6 Ff(4)(a)书写缺陷方程首先考虑电价平衡,如方程(1)和(4)。在不等价置换时,3Mg2+-2A13+;2Y3+-3Ca2+0这样即可写出一组缺陷方程。其次考虑不等价离子等量置换,如方程(2)和(3)2Mg2+-2A1,+;丫畀-C。这样又可写出一组缺陷方程。在这两组方程中,从结晶化学的晶体 稳定性考虑,在离子晶体中除萤石型晶体结构可以产生间隙型固溶体以外,由于离子晶体中阴 离子紧密堆积,间隙阴离子或阳离子都会破坏晶体的稳定性

27、。因向间隙型缺陷在离子晶体中(除 萤石型)较少见。上述四个方程以(2)和(3)较合理。当然正确的判断必须用固溶体密度测 定法来决定。3 2(b)(1)丐XMg。Al2_xMgx 与(3)al-x f 2+xCa 3(4)1-2X Yx F a38、试写出以下缺陷方程(每组写出二种),并判断是否可以成立,同时简单说明理由。(1)也。(2)CaO(3)通 3解:1、(1)两种缺陷反应方程式为:A、必&晟+喧+3%B、32纵+&+2外其中A可以成立,因为NaCl型的MgO晶体,只有较小的四面体空隙未被阳离子占据,AV离子 填隙会破坏晶体的稳定性。(2)两种缺陷反应方程式为:A、CaO%C也+可+0*

28、B、2C-0 叫仁蟾+8;+24A、B两种都可能成立,其中在较低温度下,以A方式固溶;在高温下(1800),以B方式 固溶。因为ZrOz为萤石型结构,在高温下具有较大的立方体和八面体空隙,能够形成填隙型 缺陷。(3)巩 他)两种缺陷反应方程式为:A、犯际)+用+2理B、2织3*)2/+嗯+6A可能性较大。因萤石晶体中存较多的八面体空隙,F离子半径较小,形成填隙型固溶体比较 稳定。39、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CaC12中Ca2+置换KC1中K+或进入到KC1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

29、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CaC12中Ca2+置换KC1中K+而出现点缺陷,其缺陷反应式如下:CaCl/KC1 CaK+2Clc iCaC12中Ca2+进入到KC1间隙中而形成点缺陷的反应式为:CaCl/C1 Cai+2Vk+2Clc l40、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二a:b。电中性是指在方程式两边应具有相同

30、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。41、Ti0 2-x和F e i-x0分别为具有阴离子空位和阳离子空位的非化学计量化合物。试说明其导 电率和密度随氧分压P0 2变化的规律。(以缺陷方程帮助说明)(1)Ti0 2-x的缺陷反应方程为:根据质量守恒定律可得,故其密度随氧分压增加而增加,而电导率随氧分压的增加而减小,与氧分压的1/6次方成反比。(2)F e bxO缺陷反应方程式为:根据质量守恒定律可得,故其密度随氧分压增加而下降,而电导率随氧分压的增加而增加,与氧分压的1/6次方成正比。42、晶体结构中的热缺陷有(A)和(B)二类。(A)肖特基缺陷,(B)弗伦克尔缺陷43、

31、当MgO加入到ZrO2晶格中形成固溶体时,试写出其缺陷反应方程式和对应的固溶式。MgO加入到Zr0 2晶格中形成固溶体时,其缺陷反应方程和对应的固溶式如下:(1)低温:,(2)高温:,44、对某晶体的缺陷测定生成能为84KJ/m ol,计算该晶体在10 0 0 K和150 0 K时的缺陷浓度。解:根据热缺陷浓度公式:=生N-e xp(一而)由题意G=84KJ/m ol=840 0 0 J/in ol巴=必则 M e xp(2RT)其中 R=8.314J/m ol K巴二 840 0 0 当 TkIOOOK 时,M-e xp(-而)=e xpl 2x8314xl0 0 J=6.4X 10-3n_

32、=_组 J MO。)当 T2=150 0 K 时,M-e xp(-而7)二 e xpl 2x8314x 150 0 J=3.45X10-2 45、试写出在下列二种情况,生成什么缺陷?缺陷浓度是多少?(a)在A120 3中,添加0.011n o1%的Cr20 3,生成淡红宝石(b)在A120 3中,添加0.5m ol%的NiO,生成黄宝石。解:(a)在A120 3中,添加O.Olm ol%的Cr20 3,生成淡红宝石的缺陷反应式为:行203-2-+30。生成置换式杂质原子点缺陷。其缺陷浓度为:0.0 1%X%=0.0 0 4%=4X10-3%(b)当添加0.5m ol%的NiO在A120 3中,

33、生成黄宝石的缺陷反应式为:2NiO 里”2Nia1+Vq+20。生成置换式的空位点缺陷。其缺陷浓度为:0.5%X%=0.3%46、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F e l-xO及Zn l+xO的密度将发生怎样变化?增大?减少?为什么?解:(a)非化学计量化合物F eO,是由于正离子空位,引起负离子过剩:彳4(g)24+嘤+%按质量作用定律,平衡常数。0跖向K=%由此可得it 1/6V&PO2即:铁空位的浓度和氧分压的1/6次方成正比,故当周围分压增大时,铁空位浓度增加,晶体 质量减小,则F e-0的密度也将减小。(b)非化学计量化合

34、物ZgJ),由于正离子填隙,使金属离子过剩:根据质量作用定律pl/2K 二方OF T/6得2ni oc Po2即:间隙离子的浓度与氧分压的1/6次方成反比,故增大周围氧分压,间隙离子浓度减小,晶 体质量减小,则Zn“Q的密度也将减小。47、非化学计量氧化物TiO2-x的制备强烈依赖于氧分压和温度:(a)试列出其缺陷反应式。(b)求其缺陷浓度表达式。解:非化学计量氧化物Ti0 2-x,其晶格缺陷属于负离子缺位而使金属离子过剩的类型。(a)缺陷反应式为:2Ti ri?/F 0 NT 102 f-2T1Ti+Vo+3Oo20-V2e +10 2 t2(b)缺陷浓度表达式:1VO oc P。1648、

35、(a)在MgO晶体中,肖特基缺陷的生成能为6 e v,计算在25c和16 0 0 C时热缺陷的浓度。(b)如果MgO晶体中,含有百万分之一 m ol的A120 3杂质,则在16 0 0 C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:生N-e xp(一而)由题意 G=6 e v=6 X1.6 0 2X 10-19=9.6 12X 10-19 JK=l.38X10-23 J/KT1=25+273=29 8K T2=16 0 0+273=1873K29 8K:e xp。二吐.父1=1.9 2X10N 2xl.38xio-23 x 29 8)n|r_ 9

36、.6 12 xlO*1873K:N-e xpl 2x138 xl0-23x1873 J=8X 10 9(b)在MgO中加入百万分之一的A120 3杂质,缺陷反应方程为:A12O3 吨2勾辿+V k+30 此时产生的缺陷为喂杂质。而由上式可知:A120 3=V雎杂质当加入10-6 A120 3时,杂质缺陷的浓度为%杂质二Al203=10-6由(a)计算结果可知:在1873 K,热=8X10-9显然:%杂质产忆热,所以在1873 K时杂质缺陷占优势。49、MgO的密度是3.58克/厘米3,其晶格参数是0.42m n,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

37、体积V=(4.20,x=q VN0/M=3.96,单位晶胞 的肖脱基缺陷数=4-x=0.0 4o50、MgO晶体的肖特基缺陷生成能为84kJ/m ol,计算该晶体在10 0 0 K和150 0 K的缺陷浓度。解:n/N=e xp(-E/2RT),R=8.314,T=lOOOk:n/N=6.4X103;T=150 0 k:n/N=3,5X10%51、非化学计量化合物F e xO中,F e3+/F e2+=0.1,求F e O中的空位浓度及x值。FaO解:F e203-2F eF e-+300+V,.-/y 2y yF e3+2yF e2+i-3y O,=0.l-2y=0.1-0.3y-y=0.1

38、/2.3=0.0 435 Ifx=l-y=l-0.0 435=0.9 56 5,F eo.956 5O-y 0.0 435Vf1=x+l=1+0.9 56 5=2.22X 10-252、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F e.2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)-Zn i,+e ,Zn(g)+l/202=Zn O,Zn i+e +l/202 _ Zn O,Zn O=e,P0 2 T Zn i (Q j12 02(g)oOO+VT +2hk=0 0 VF/?h-/P02l/2M0 0 VF/?

39、3/P02l/2,V 8P0勺/6,J P0 2T Vpe J Q J53、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:位错线垂直于匕,位错线垂直于位错运动方向;螺位错:位错线平行于匕,位 b b错线平行于位错运动方向。54、有两个相同符号的刃位错,在同一滑移面上相遇,它们将是排斥还是吸引?解:排斥,张应力重叠,压应力重叠。55、晶界对位错的运动将发生怎么样的影响?能预计吗?解:晶界对位错运动起阻碍作用。56、晶界有小角度晶界与大角度晶界之分,大角度晶界能用位错的阵列来描述吗?解:不能,在大角度晶界中,原子排列接近于无序的状态,而位错之间的距离可能只有一、两

40、 个原子的大小,不适用于大角度晶界。57、试述影响置换型固溶体的固溶度的条件。解:(1)原子或离子尺寸的影响,K15%时,可以形成连续固溶体;r=15%30%时,只能 形成有限型固溶体;r 30%很难或不能形成固溶体;愈大,固溶度愈小;(2)晶体结构 类型的影响,只有两种结构相同和时才是形成连续固溶体的充分必要条件;(3)离子 类型和键性,相互置换的离子类型相同,化学键性质相近,容易形成固溶体体;(4)电价因 素,不等价置换不易形成连续固溶体。58、从化学组成、相组成考虑,试比较固溶体与化合物、机械混合物的差别。解:59、试阐明固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物三者之间的异同点,列出简明表格比

41、较。解:固溶体、晶格缺陷、非化学计量化合物都是点缺陷,是晶体结构缺陷,都是单相均匀的固固溶体机械混合物化合物形成原因以原子尺寸“溶解”生成粉末混合原子间相互反 映生成相数单相均匀多相单相均匀化学计量不遵守定比定律/遵守定比定律化学组成不确定有几种混合物就有 多少化学组成确定体,结构同主晶相。热缺陷本征缺陷;固溶体非本征缺陷;分 类缺陷反应化学 式溶解度、缺陷浓 度,、卸 煤热起伏T0 ko VM +VxMM Mi-+VMMXMX只受温度控制大小9PR,电无:受温度控制值港例搀负有:搀杂量固PR,杂性溶度受温度控溶9制Jz i,解电搀杂量固溶度价受固溶度控制9结构阳 缺 阴 间 阳 间中气愤性质

42、和F e i-xO UO2+X Zn l+xO Ti02_h 8Po勺/60 V 8P02l/6 Zn i 8P02-l/6 V0 8P02-l/6阴 缺X60、AkOs在MgO中形成有限固溶体,在低共熔温度19 9 5c时,约有18重量AkO3溶入MgO 中,假设MgO单位晶胞尺寸变化可忽略不计。试预计下列情况的密度变化。(a)O为填隙离子。(b)A产为置换离子。解:设 AL2O3、MgO 总重量为 10 0 g,则 AL2(M8g,Mg0 82g,18/102溶入 MgO 中 AL2O3 的 m ol 数:AL2O3 m ol%=8/10 2+82/40=0.08=8%,MgO 8%=9

43、2%,固溶体组成:8%AL2O3,9 2%MgO,固溶体组成式:Alo.16Mg0.(a)AL2O3-呦f AL/+200+0/X 2x x 固溶体化学式:Al2xMgl_2sO1+x将化学式与组成式一一对应,求出待定参数x,由于的量不同,将的量化为1Alo.16/1.wMgo.9 2/1.16 0 C A.2x/l+xMgi-2x/l+x0_X=0.0 74,化字式 Alo,118乂80.852。1.074 吃4 d=-二V*0,148MA1+4*0.852MMg+4*:4*M幅+4*Mg-d*肌 d理想=1.0 4(b)AL2O3一峻72ALmJ+300+(Vx 2x xA12xMgl-3

44、xOAlo.16/1,wMgo.9 2/1.16。0.0 81J6Alo.13sMgo.79 3Od-=0.9 7”理想一-x=61、对磁硫铁矿进行化学分析:按分析数据的F e/S计算,得出两种可能的成分:F e bxS和 F e Sl-x0前者意味着是F e空位的缺陷结构;后者是F e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:F e“S中存在F e空位,V/非化学计量,存在h.P型半导体;F e S-、中金属离子过剩,存在S2一空位,存在/,N型半导体;因F e-xS、F e S-分属不同类型半导体,通过实验确定其 半导体性质即可。62、说明为什么只有置换型固溶体的两个组

45、份之间才能相互完全溶解,而填隙型固溶体则不能。(1)晶体中间隙位置是有限的,容纳杂质质点能力W10%;(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。63、如果溶剂和溶质原子的原子半径相差超过15%;(2)两元素的电负性相差超过土 0.4%,通常这一对元素将不利于形成置换型固溶体,其中前一因素往往起主导作用。仅根据提供的资料提出哪一对金属大概不会形成连续固溶体:TaW,PtPb.Co Ni,Co Zn,TiTa。金属原子半径(n m)晶体结构金属原子半径(n m)晶体结构Ti

46、0.146 1六方(883 )Zn0.1332六方体心立方Ta0.1430体心立方Co0.1251(883 )W0.1370体心立方六方(427 )Pt0.1387面心立方解:Ni0.1246面心立方(427 )面心立方Pd0.1750面心立方TaWr大一r小/r大=4.2%15%电负性:1.5-1.7=-0.2结构类型:体心立 方相同形成连续固溶体PtPdr大-r小/r大 二20.7%15%电负性差=2.2-2.2=0 结构类型:面心立 方形成有限固溶体Co-Nir大一r小/r大=0.4%15%电负性差:1.8-1.6=0.2 当 T 427,Co Zn 结构类型相同可形成连续固溶体TiTa

47、r大一r小/r大=2.12%883,Ti Ta 结构类型相同可形成连续固溶体64、对于MgO、AI2O3,和O2O3,其正、负离子半径比分别为0.47、0.36和0.40,则AI2O3和 Cm形成连续固溶体。(a)这个结果可能吗?为什么?(b)试预计,在MgOCn 0 3系统中的固溶度是有限的还是无限的?为什么?解:(a);r大-r小/r大二10淑15%,AL20 3和Cr20 3能形成连续固溶体;(b)MgOCr20 3中,r大-r小/r大=15%,加之两者结构不同,固溶度是有限的。65、某种NiO是非化学计量的,如果NiO中NF/Ni2+=10-4,问每m 3中有多少载流子。解:设非化学计

48、量化合物为NixO,Ni203-2NiNi+300+VT y 2y y Ni NiO-Ni/Niy/(l-3y)=10 则 y=5X 101 x=l-y=0.9 9 9 9 5,Ni0.9 9 9 9 50每n?中有多少载流子即为空位浓度:VT =y/(l+x)=2.5X10,66、在MgO-AI2O3和PbTi(VPbZrO3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:r大r小/r大=15%,即加、出半径相差大,MgO(NaCl型)、AL2O3(刚玉)结 构类型差别大,形成有限固溶体;PbTiO3-PbZr()3形成无限固溶体,因为尽管Ti/Zr半径相差较大

49、(15.28),但都是(AB03)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。67、(1)AI2O3晶体中掺入xm oKNiO和y m ol%Cr203可得人造黄玉,试写出缺陷反应方程式(置 换型固溶体)以及掺杂AI2O3的化学式。(2)非化学计量化合物TiOx中,Ti3+/Ti4+=0.1,求TiOx中的x值。(10分)解:(1)AI2O3晶体中掺入NiO和Cn 03的置换型缺陷反应为:2MO 强乌2加4+匕;.+20%Cr2O3 华乌2Cl+30%故掺入x m ol%NiO和y m oMCQ Os的AI2O3的

50、化学式为人人叫。一战(2)TiOx缺陷方程为:27P+4O。72禺+3%+6,+/Q(g)T故固溶式可写成7c篁02一班由 Ti3+/Ti4+=0.1 知道 y/(l-y)=O.1,解得 y=0.091于是 TiOx 中的 x 值为:x=2-y/2=2-0.0 9 1/2=1.9568 一块金黄色的人造黄玉,化学分析结果认为,是在Ab。,中添加了 0.5m ol%Ni0和0.0 2m ol%Cr203o试写出缺陷反应方程(置换型)及化学式。解:NiO和Cq()3固溶入ALA的缺陷反应为:2Ni0 03 2NiAi+-3 2CrAi+3Oo+20()Cr203 2CrA1+3OoO x固溶体分子

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