《无机材料科学基础课后习题答案(5)（2020年7月整理）.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无机材料科学基础课后习题答案(5)（2020年7月整理）.pdf（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 1 5.1 试述影响置换型固溶体的固溶度的条件。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。若 以 r1和 r2分别代表半径大和半径小的两种离子的半径。当它们半径差 30%时，不能形成固溶体。 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。 5.2 从化学组成、相组成考虑，试比较固溶体与化合物、机械混合物的从化
2、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。差别。 2 解：从化学组成、相组成考虑，固溶体、化合物和机械混合物的区别 列 下表 5-1 比较之 。 表 5-1 固溶体、化合物和机械混合物比较 （以 AO 溶质溶解在 B2O3溶剂中为例） 比 较 项 固 溶 体 化 合 物 机 械 混 合 物 化学组 成 B2-xAxO(x =02) AB2O4 AO+B2O3 相组成 均匀单相 单相 两相有界面 5.3 试阐明固溶体、晶格缺陷和试阐明固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物三者之间的异同点。非化学计量化合物三者之间的异同点。 列出简明表格比较。列出简明表格比较。 解：固溶体、晶格缺
3、陷和非化学计量化合物都属晶体结构缺陷，但它们 又各有不同，现列表 5-2 比较之。 表 5-2 固溶体、晶格缺陷和非化学计量化合物比较 分 类 形成 原因 形成条 件 缺陷反应 固溶式 溶解度 3 热 缺 陷 肖特 基缺 陷 晶 格 热 振 动 0K 以 上 0 MX 只受温度控制 弗伦 克尔 缺陷 MM = XX= MX 固 溶 体 无限 置换 型固 溶体 掺 杂 溶 解 15% ， A2+电 价=B2+ 电价， AO 结 构同 BO，电 负性相 近 AO B1-xAxO 受温度控制 x=01 有 限 固 间 隙 型 间隙离 子半径 小，晶 YF3 掺杂量固溶度， 受 温度控制 4 溶 体
4、体结构 开放， 空隙大 组 分 缺 陷 30% ， Ca2+电 价 Zr4+电 价 2CaO CaO 掺杂量固溶度， 受 温度控制 非 化 学 计 量 化 合 物 阳离 子缺 位 环 境 中 气 氛 性 质 和 压 变价元 素氧化 物在氧 化气氛 中 O2(g) 2Fe + V +OO h PO 阴离 子间 隙 O2(g) +U (2h ) 5 阳离 子间 隙 力 变 化 变价元 素氧化 物在还 原气氛 中 ZnO +2e + O2(g) 阴离 子缺 位 OO +2+ O2(g) V 5.4 试写出少量试写出少量 MgO 掺杂到掺杂到 Al2O3中和少量中和少量 YF3掺杂到掺杂到 CaF2中
5、的缺陷中的缺陷 方程。（方程。（a）判断方程的合理性。（）判断方程的合理性。（b）写出每一方程对应的固溶式。）写出每一方程对应的固溶式。 解： 3MgO2+3OO （1） 2MgO2+ +2OO （2） YF3Y+F +2FF （3） 2YF32Y+6FF （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+ 2Al3+ ；2Y3+ 3Ca2+。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+ 2Al3+ ； Y3+ Ca2+。这样又可写出一组缺陷方程。在这两组方程中，从结晶化 6 学的晶体稳定性考虑，
6、 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。因而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。 （b）(1) (2) (3) (4) 5.5 一块金黄色的人造黄玉，化学分析结果认为，是在一块金黄色的人造黄玉，化学分析结果认为，是在 Al2O3中添加了中添加了 0.5mol%NiO 和和 0.02mol% Cr2O3。试写出缺陷反应方程（置换型）及。试写出缺陷反应方程（置换型）及 化学式。化学式。 解：NiO 和 Cr2O3固溶入
7、Al2O3的缺陷反应为： 2NiO2+2OO Cr2O3 固溶体分子式为：Cr 取 1mol 试样为基准，则 7 m0.005 ； m0.0002 ； m10.0050.00020.9948 2NiO 2Al2 O3 Cr2 O3 Al2 O3 取代前 Al2O3所占晶格为： 0.99480.005/20.00020.9975mol (Al2O3) 取代后各组分所占晶格分别为： Al2O3：mol NiO：mol Cr2 O3：mol 取代后，固溶体的分子式为： 0.9973 Al2O30.005 NiO 0.0002 Cr2 O3 或 Al1.9946Ni 0.005Cr0.0004 O2.
8、9975 x=0.005, Y=0.0004 1.9946=20.0050.0004=2xy 8 2.9975=3x 5.6 ZnO 是六方晶系，是六方晶系，a=0.3242nm，c=0.5195nm，每个晶胞中含，每个晶胞中含 2 个个 ZnO 分子，测得晶体密度分别为分子，测得晶体密度分别为 5.74，5.606 g/cm3，求这两种情况下各，求这两种情况下各 产生什么型式的固溶体？产生什么型式的固溶体？ 解：六方晶系的晶胞体积 V=4.73cm3 在两种密度下晶胞的重量分别为 W1=d1v=5.744.7310-23=2.7210-22(g) W2=d2v=5.6064.7310-23=
9、2.6510-22(g) 理论上单位晶胞重 W= =2.69(g) 密度是 d1时为间隙型固溶体，是 d2时为置换型固溶体。 5.7 对于对于 MgO、Al2O3和和 Cr2O3，其正、负离子半径比分别为，其正、负离子半径比分别为 0.47、0.36 和和 0.40。Al2O3和和 Cr2O3形成连续固溶体。形成连续固溶体。 (a) 这个结果可能吗？为什这个结果可能吗？为什 9 么？么？ (b) 试预计，在试预计，在 MgOCr2O3系统中的固溶度是有限还是很大？系统中的固溶度是有限还是很大？ 为什么？为什么？ 解：（a）Al2O3与 Cr2O3有可能形成连续固溶体。因为： =10%15% 结
10、构类型相同，均属刚玉型结构。 （b）对于 MgOCr2O3系统，由于结构类型相差较大，前者为 NaCl 型，后者为刚玉型。虽然=14.89%15%，也不可能形 成完全互溶的固溶体，而只能是有限固溶。 5.8 Al2O3在在 MgO 中将形成有限固溶体， 在低共熔温度中将形成有限固溶体， 在低共熔温度 1995时， 约有时， 约有 18wt% Al2O3溶入溶入 MgO 中，中， MgO 单位晶胞尺寸减小。 试预计下列情况单位晶胞尺寸减小。 试预计下列情况 下密度的变化。下密度的变化。(a) Al3+为间隙离子，为间隙离子， (b) Al3+为置换离子。为置换离子。 解：(a) Al3+为间隙离
11、子： 缺陷反应为：（1） 固溶式分子式：（2） （b）Al3+为置换离子： 缺陷反应为：+（3） 10 固溶式分子式：（4） 取 100g 试样为基准：（为摩尔数） m0.176 (m 为摩尔数) mMgO2.035 MgO 中固溶 18%wt 的 Al2O3后的分子式为： 2.035 MgO0.176 Al2O3或 Mg2.035Al0.352O2.563 (5) （5）式各项除以 2.563 得 Mg0.794Al0.137O (6) 由（6）式得 x=0.137 代入（2）（4）式， 对（a）有 即 Mg0.794Al0.137O （b）有 Mg0.794Al0.137O 设：固溶前后晶
12、胞体积不变，则密度变化为： （，分别代表固溶前后密度） 11 所以，固溶后的密度小于固溶前的密度。 5.9 用用 0.2mol YF3加入加入 CaF2中形成固溶体，实验测得固溶体的晶胞参中形成固溶体，实验测得固溶体的晶胞参 数数 a=0.55nm，测得固溶体密度，测得固溶体密度=3.64g/cm3，试计算说明固溶体的类，试计算说明固溶体的类 型？（元素的相对原子质量：型？（元素的相对原子质量：Y=88.90；Ca=40.08；F=19.00） 解：YF3加入 CaF2的缺陷反应方程如下： YF3Y+F +2FF (1) 2YF32Y+V+6FF (2) 方程（1）和（2）的固溶式：(1)Ca1-xYxF2+x (2) Ca(1-3/2x)YxF2 按题意 x=0.2 代入上述固溶式得：间隙型固溶体分子式为 Ca0.8Y0.2F2.2 置换型固溶体分子式为 Ca0.7Y0.2F2； 它们的密度分别设为1和2。 CaF2 是萤石型晶体，单位晶胞内含有 4 个萤石分子。 1=3.659（g/cm3） 2=3.346（g/cm3） 由1与2计算值与实测密度=3.64g/cm3比较， 1值接近 3.64g/cm3， 因此 0.2mol YF3加入 CaF2中形成间隙型固溶体。
