无机材料科学基础-之-硅酸盐的晶体结构
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⽆机材料科学基础课后习题答案33-1 名词解释(a)萤⽯型和反萤⽯型(b)类质同晶和同质多晶(c)⼆⼋⾯体型与三⼋⾯体型(d)同晶取代与阳离⼦交换(e)尖晶⽯与反尖晶⽯答:(a)萤⽯型:CaF2型结构中,Ca2+按⾯⼼⽴⽅紧密排列,F-占据晶胞中全部四⾯体空隙。
反萤⽯型:阳离⼦和阴离⼦的位置与CaF2型结构完全相反,即碱⾦属离⼦占据F-的位置,O2-占据Ca2+的位置。
(b)类质同象:物质结晶时,其晶体结构中部分原有的离⼦或原⼦位置被性质相似的其它离⼦或原⼦所占有,共同组成均匀的、呈单⼀相的晶体,不引起键性和晶体结构变化的现象。
同质多晶:同⼀化学组成在不同热⼒学条件下形成结构不同的晶体的现象。
(c)⼆⼋⾯体型:在层状硅酸盐矿物中,若有三分之⼆的⼋⾯体空隙被阳离⼦所填充称为⼆⼋⾯体型结构三⼋⾯体型:在层状硅酸盐矿物中,若全部的⼋⾯体空隙被阳离⼦所填充称为三⼋⾯体型结构。
(d)同晶取代:杂质离⼦取代晶体结构中某⼀结点上的离⼦⽽不改变晶体结构类型的现象。
阳离⼦交换:在粘⼟矿物中,当结构中的同晶取代主要发⽣在铝氧层时,⼀些电价低、半径⼤的阳离⼦(如K+、Na+等)将进⼊晶体结构来平衡多余的负电荷,它们与晶体的结合不很牢固,在⼀定条件下可以被其它阳离⼦交换。
(e)正尖晶⽯:在AB2O4尖晶⽯型晶体结构中,若A2+分布在四⾯体空隙、⽽B3+分布于⼋⾯体空隙,称为正尖晶⽯;反尖晶⽯:若A2+分布在⼋⾯体空隙、⽽B3+⼀半分布于四⾯体空隙另⼀半分布于⼋⾯体空隙,通式为B(AB)O4,称为反尖晶⽯。
3-2 (a)在氧离⼦⾯⼼⽴⽅密堆积的晶胞中,画出适合氧离⼦位置的间隙类型及位置,⼋⾯体间隙位置数与氧离⼦数之⽐为若⼲?四⾯体间隙位置数与氧离⼦数之⽐⼜为若⼲?(b)在氧离⼦⾯⼼⽴⽅密堆积结构中,对于获得稳定结构各需何种价离⼦,其中:(1)所有⼋⾯体间隙位置均填满;(2)所有四⾯体间隙位置均填满;(3)填满⼀半⼋⾯体间隙位置;(4)填满⼀半四⾯体间隙位置。
无机材料科学与基础1.名词解释二八面体:在层状硅酸盐矿物中,若有三分之二的八面体空隙被阳离子所填充称为二八面体结构。
三八面体:在层状硅酸盐矿物中,若全部的八面体空隙被阳离子所填充称为三八面体结构。
稳态扩散:扩散质点浓度不随时间变化。
不稳态扩散:扩散质点浓度随时间变化,扩散通量与位置有关。
互扩散:有浓度差的空间扩散。
自扩散:没有浓度差的扩散。
顺扩散:由高浓度区向低浓度区的扩散叫顺扩散,又称下坡扩散。
逆扩散:由低浓度区向高浓度区的扩散叫逆扩散,又称上坡扩散。
本征扩散:不含有不含有任何杂质的物质中由于热起伏引起的扩散。
非本征扩散:非热能引起,如由杂质引起的扩散。
刃型位错:滑移方向与位错线垂直的位错称为刃型位错。
螺型位错:位错线与滑移方向相互平行的位错称为螺型位错热缺陷:在没有外来原子时,当晶体的热力学温度高于0K时,由于晶格内原子热振动,使一部分能量较大的原子离开正常的平衡位置,造成缺陷,这种由于原子热振动而产生的缺陷称为热缺陷。
杂质缺陷:由于杂质进入晶体而产生的缺陷。
点缺陷:在三维方向上尺寸都很小(远小于晶体或晶粒的线度)的缺陷。
线缺陷:是指晶体内部结构中沿着某条线(行列)方向上的周围局部范围内所产生的晶格缺陷。
它的表现形式主要是位错。
弗兰克尔缺陷:在晶格内原子振动时,一些能量足够大的原子离开平衡位置后,进入晶格点的间隙位置,变成间隙原子,而在原来的位置上形成一个空位,这样的缺陷称为弗兰克尔缺陷。
肖特基缺陷:如果正常格点上的原子,热起伏过程中获得能量离开平衡位置,跳跃到晶体的表面,在原正常格点上留下空位,这种缺陷称为肖特基缺陷。
类质同晶:物质结晶时,其晶体结构中部分原有的离子或原子位置被性质相似的其他离子或原子所占有,共同组成均匀的、呈单一相的晶体,不引起键性和晶体结构变化的现象。
同质多晶:同一化学组成在不同热力学条件下形成结构不同的晶体的现象。
一致熔融化合物:是一种稳定的化合物,它与正常的纯物质一样具有固定的熔点,熔化时所产生的液相与化合物组成一致,故称一致熔融化合物。
材料科学基础第 2 章2.4.2岛状结构硅酸盐晶体结构分析镁橄榄石晶体结构(a)(100)面上的投影图(c)立体侧视图(b)(001)面上的投影图硅氧四面体彼此孤立,犹如大海中的孤岛一样, 因此把这种结构的硅酸盐晶体称为岛状结构1. 岛状结构名称由来岛状结构特点代表性矿物:镁橄榄石化学式:Mg 2SiO 4晶体结构:正交晶系,晶胞参数a 0=0.476nm ,b 0=1.021nm ,c 0=0.598nm ,晶胞分子数Z=4。
硅氧阴离子团[SiO 4]4-,Si :O=1:4氧离子一价与硅离子连接一价与其他金属阳离子连接硅氧四面体孤立存在由镁氧八面体连接 镁橄榄石晶体结构有缘学习更多驾卫星ygd3076或关注桃报:奉献教育(店铺)镁橄榄石晶体结构投影图紧密堆积方式氧离子做六方紧密堆积配位数硅离子:CN=4镁离子: CN=6镁橄榄石结构中镁离子、硅离子填充配位多面体的比例是多少?在镁橄榄石结构中,一个晶胞中有4个Mg 2SiO 4分子,由Mg 2SiO 4的化学式可知,一个晶胞中氧离子个数为:4 ×4=16个镁离子个数为:2 ×4=8个硅离子个数为:1 ×4=4个填充二分之一八面体空隙 填充八分之一四面体空隙Si O Mg硅氧四面体孤立存在由镁氧八面体连接镁氧八面体共棱连接3. 镁橄榄石结构中配位多面体连接方式3. 镁橄榄石结构中配位多面体连接方式与硅氧四面体共顶连接4. 镁橄榄石结构中氧离子电价是否平衡?通过分析可见,电价平衡5. 性能与用途①性能②用途生产镁质耐火材料与镁质陶瓷的原料较高的硬度,熔点高达1890℃,在加热过程中无多晶转变,并有一定抗碱性渣侵蚀的能力;结构无明显解理,破碎呈粒状①橄榄石(FexMg1-x)SiO4固溶体:由镁橄榄石结构中的Mg2+可以被Fe2+以任意比例取代形成;②钙镁橄榄石CaMgSiO4:由图中25、75的Mg2+被Ca2+取代形成;③γ-Ca2SiO4:由结构中全部Mg2+被Ca2+取代形成。
《无机材料科学基础》课程教学大纲课程英文名称:Fundamentals of Inorganic Materials Science课程编号:1313014002课程计划学时:72学分:4.5课程简介:《无机材料科学基础》课程是一门专业基础理论课程,适用于硅酸盐工程与无机材料科学与工程专业。
主要讲授本专业范围内各种物理化学过程的变化和共性规律,为学生学习专业课打下理论基础,是一门必修的重点课程。
本课程是在修完无机化学、物理学、物理化学、结晶矿物岩石学等课程之后,方能开设的课程。
通过本课程的学习,可以使学生了解无机材料的组成-结构-性能之间的相互关系和变化规律,为学生学习专业课程和将来从事无机材料的研究与开发奠定理论基础。
一、课程教学内容及教学基本要求绪论(1学时)要求了解无机材料的分类,特点,组成、结构、性能、工艺以及其与环境的关系。
第一章晶体结构(12学时)本章重点为晶体化学基本原理、典型晶体结构和硅酸盐晶体结构,难点为硅酸盐晶体结构。
第一节结晶学基础本节要求了解各晶系晶体定向法则与结晶符号的表示方法(考核概率0%),理解晶体的基本性质、晶胞与空间点阵的概念与区别(考核概率50%),掌握七大晶系与十四种布拉维格子的划分与特征(考核概率40%)。
1 晶体的基本概念与性质;2 晶胞与空间点阵;3 晶体的对称分类——7个晶系和14种布拉维格子;4 晶体定向与结晶学指数——晶面指数与晶向指数。
第二节晶体化学基本原理本节要求了解晶体中质点间的结合力与结合能(考核概率0%),理解球体最紧密堆积原理和影响离子晶体结构的因素(考核概率40%),掌握同质多晶和类质同晶的概念以及鲍林规则的应用(考核概率100%)1 晶体中质点间的结合力与结合能;2 晶体中质点的堆积——球体最紧密堆积原理;3 影响离子晶体结构的因素——原子半径和离子半径,配位数与配位多面体,离子极化,电负性,结晶化学定律;4 同质多晶与类质同晶;5 鲍林规则。
《材料科学基础》简答题——答案要点第二章1.硅酸盐晶体结构有何共同特点?答:(1)每一个Si4+存在于4个O2-为顶点的四面体中心,构成[SiO4]4-四面体,它是硅酸盐晶体结构的基础(2)[SiO4]4四面体的每个顶点,即O2-最多只能为两个[SiO4]4-四面体所共有(3)两个邻近的[SiO4]4-四面体之间,如果要联结,只以共顶而不以共棱或共面相联结(4)[SiO4]4-四面体中的Si4+可以被Al3+置换形成硅铝氧骨干,骨干外的金属离子容易被其它金属离子置换,置换不同的离子,对骨干的结构并无多大的变化,但对它的性能却影响很大2.简述硅酸盐晶体的分类依据是什么?可分为几类,每类的结构特点是什么?答:硅酸盐晶体结构是按晶体中硅氧四面体在空间的排列方式分为孤岛状、组群状、链状、层状和架状五类。
这五类的[SiO4]四面体中,桥氧的数目也依次由0增加至4,非桥氧数由4减至0。
硅离子是高电价低配位的阳离子,因此在硅酸盐晶体中,[SiO4]只能以共顶方式相连,而不能以共棱或共面方式相连。
3.什么是同质多晶?简述同质多晶转变的类型及其各自的特点。
答:化学组成相同的物质,在不同的热力学条件下形成结构不同的晶体现象,称为同质多晶。
根据同质多晶转变时速度的快慢和晶体结构变化的不同,可将多晶转变分为位移性转变和重建性转变。
前者仅仅是结构畸变,转变前后结构差异小,转变时并不打开任何键或改变最邻近的配位数,只是原子的位置发生少许位移,使次级配位有所改变;而后者不能简单地通过原子位移来实现,转变前后结构差异较大,必须破坏原子间的键,形成一个具有新键的结构。
4.为什么石英不同系列变体之间的转化温度比同系列变体之间的转化温度高得多?答:由于石英不同系列变体之间转变是重建性转变,涉及晶体结构中键的破裂和重建;而同一系列变体之间的转变是位移性转变,不涉及晶体结构中键的破裂和重建,仅是键长、键角的调整。
5.钛酸钡是一种重要的铁电陶瓷,其晶型是钙钛矿结构,试问:(a)属于什么点阵?(b)这个结构中离子的配位数为多少?(c)这个结构遵守鲍林规则吗?请做讨论。