材料科学基础武汉理工大学,张联盟版课后习题及答案第二章.docx

1、第二章答案2-1 略。2-2（1）一晶面在 x、 y、 z 轴上的截距分别为 2a、3 b、6 c，求该晶面的晶面指数；（2）一晶面在 x、 y、 z 轴上的截距分别为 a/3、 b/2、 c，求出该晶面的晶面指数。答：（1）h:k:l= =3:2:1,该晶面的晶面指数为（321）；（2）h:k:l=3:2:1，该晶面的晶面指数为（321）。2-3 在立方晶系晶胞中画出下列晶面指数和晶向指数：（001）与 ，（111）与 ，（ ）与111，（ ）与236，（257）与 ，（123）与 ，（102），（），（ ），110， ， 答：2-4 定性描述晶体结构的参量有哪些？定量描述晶体结构的参量又有

2、哪些？答：定性：对称轴、对称中心、晶系、点阵。定量：晶胞参数。2-5 依据结合力的本质不同，晶体中的键合作用分为哪几类？其特点是什么？答：晶体中的键合作用可分为离子键、共价键、金属键、范德华键和氢键。离子键的特点是没有方向性和饱和性，结合力很大。共价键的特点是具有方向性和饱和性，结合力也很大。金属键是没有方向性和饱和性的的共价键，结合力是离子间的静电库仑力。范德华键是通过分子力而产生的键合，分子力很弱。氢键是两个电负性较大的原子相结合形成的键，具有饱和性。2-6 等径球最紧密堆积的空隙有哪两种？一个球的周围有多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？答：等径球最紧密堆积有六方和面心立方紧密堆积两种，

3、一个球的周围有 8 个四面体空隙、6 个八面体空隙。2-7n 个等径球作最紧密堆积时可形成多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？不等径球是如何进行堆积的？答： n 个等径球作最紧密堆积时可形成 n 个八面体空隙、2n 个四面体空隙。不等径球体进行紧密堆积时，可以看成由大球按等径球体紧密堆积后，小球按其大小分别填充到其空隙中，稍大的小球填充八面体空隙，稍小的小球填充四面体空隙，形成不等径球体紧密堆积。2-8 写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。答：面心立方格子的单位平行六面体上所有结点为：（000）、（001）（100）（101）（110）（010）（011）（111）（ 0 ）（0

4、 ）（ 0）（1 ）（ 1 ）（1）。2-9 计算面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。答：面心：原子数 4，配位数 6，堆积密度六方：原子数 6，配位数 6，堆积密度2-10 根据最紧密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金刚石结构的空间利用率很低（只有 34.01），为什么它也很稳定？答：最紧密堆积原理是建立在质点的电子云分布呈球形对称以及无方向性的基础上的，故只适用于典型的离子晶体和金属晶体，而不能用最密堆积原理来衡量原子晶体的稳定性。另外，金刚石的单键个数为 4，即每个原子周围有 4 个单键（或原子），由四面体以共顶方式共价结合形成三维空间结构，所以，虽然金刚石结构的空

5、间利用率很低（只有34.01），但是它也很稳定。2-11 证明等径圆球六方最密堆积的空隙率为 25.9。答：设球半径为 a，则球的体积为 ，球的 z=4，则球的总体积（晶胞） ，立方体晶胞体积：(2 a)3=16 a3，空间利用率=球所占体积/空间体积=74.1%，空隙率=1-74.1%=25.9%。2-12 金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为 1.74g/cm3，求它的晶胞体积。答：设晶胞的体积为 V,相对原子质量为 M,则晶胞体积nm32-13 根据半径比关系，说明下列离子与 O2配位时的配位数各是多少？已知rO2 0.132nm， rSi4 0.039nm， rK 0.131nm，

6、rAl3 0.057nm， rMg2 0.078nm。答：对于 Si4+、K +、Al 3+、Mg 2+来说，其 依次是 0.295、0.99、0.43、0.59；依据正离子配位数与正负离子半径比的关系知配位数为：Si 4+4；K +8；Al 3+6；Mg 2+6。2-14 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：石英同一系列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、需要能量较低，且转变迅速可逆；而不同系列之间的转变属于重建性转变，都涉及到旧键的破裂和新键的重建，因而需要较的能量，且转变速度缓慢；所以石英不同系列之间的转化温

7、度比同系列变体之间转化的温度要高的多。2-15 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 MnS的晶胞参数均为 a0.520nm（在这两种结构中，阴离子是相互接触的）。若CaS（ a0.567nm）、CaO（ a0.480nm）和 MgO（ a0.420nm）为一般阳离子阴离子接触，试求这些晶体中各离子的半径。答：MgS 中 a=0.502nm，阴离子相互接触，a=2 r-，rS 2-=0.177nm；CaS 中 a=0.567nm，阴阳离子相互接触，a=2(r +r-)，r Ca2+=0.107nm；CaO 中 a=0.408nm，a=2(r +r

8、-)，r O2-=0.097nm；MgO 中 a=0.420nm，a=2(r +r-)，r Mg2+=0.113nm。2-16 氟化锂（LiF）为 NaCl 型结构，测得其密度为 2.6g/cm3，根据此数据计算晶胞参数，并将此值与你从离子半径计算得到数值进行比较。答：设晶胞的体积为 V,相对原子质量为 M,对于 NaCl 型结构来说，其 n=4,则晶胞体积nm3则晶胞参数： ,根据离子半径计算：a=2(r +r-)=4.14nm rMg2+，使 CaO 结构较 MgO 疏松，H 2O 易于进入，所以活泼。2-19CaF2的晶胞参数为 0.547nm。（1）根据 CaF2晶胞立体图画出 CaF

9、2晶胞在（001）面上的投影图；（2）画出 CaF2（110）面上的离子排列简图；（3）正负离子半径之和为多少？解（1）CaF2晶胞在（001）面上的投影图（2）CaF2（110）面上的离子排列简图（3）正负离子半径之和2-20 计算 CdI2晶体中的 I 及 CaTiO3晶体中 O2 的电价是否饱和？解：CdI 2晶体中 Cd2+的配位数 CN=6，I -与三个在同一边的 Cd2+相连，且 I-的配位数 CN=3所以 ，即 I-电价饱和CaTiO3晶体中，Ca 2+的配位数 CN=12，Ti 4+的配位数 CN=6，O 2-的配位数 CN=6所以 ，即 O2-电价饱和。2-21（1）画出 O

10、2 作面心立方堆积时，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元表示出来）；（2）计算四面体空隙数、八而休空隙数与 O2 数之比解（1）略（2）四面体空隙数与 O2 数之比为 2:1，八面体空隙数与 O2 数之比为 1:12-22 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个例子。（1）所有四面体空隙位置均填满；（2）所有八面体空隙位置均填满；（3）填满半四面体空隙位置；（4）填满半八面体空隙位置。答：分别为（1）阴阳离子价态比应为 1:2 如 CaF2（2）阴阳离子价态比应为 1:1 如 NaCl（3）阴阳离子价态比应为 1:1 如 ZnS（

11、4）阴阳离子价态比应为 1:2 如 TiO22-23 化学手册中给出 NH4Cl 的密度为 1.5g/cm3，X 射线数据说明 NH4Cl 有两种晶体结构，一种为 NaCl 型结构， a0.726nm；另一种为 CsCl 结构， a0.387nm。上述密度值是哪一种晶型的？（NH 4 离子作为一个单元占据晶体点阵）。解：若 NH4Cl 为 NaCl 结构则可由公式 可得： =0.912g/cm3若 NH4Cl 为 NaCl 结构，则可由公式 可得： =1.505由计算可知 NaCl 型结构的 NH4Cl 与化学手册中给出 NH4Cl 的密度接近，所以该密度NaCl 晶型2-24MnS 有三种多

12、晶体，其中两种为 NaCl 型结构，一种为立方 ZnS 型结构，当有立方型ZnS 结构转变为 NaCl 型结构时，体积变化的百分数是多少？已知 CN6 时，rMn2 0.08nm， rS2 0.184nm；CN4 时， rMn2 0.073nm， rS2 0.167nm。解：当为立方 ZnS 型结构时： = 0.472nm当为 NaCl 型结构时： =2(rMn2+rS2-)=2(0.08+0.184)=0.384nm所以体积变化： =46.15%2-25 钛酸钡是一种重要的铁电陶瓷，其晶型是钙钛矿结构，试问：（1）属于什么点阵？（2）这个结构中离子的配位数为若干？（3）这个结构遵守鲍林规则吗

13、？请作充分讨论。答：（1）属于立方晶系（2）Ba 2+、Ti 4+和 O2-的配位数分别为 12、6 和 6（3）这个结构遵守鲍林规则鲍林第一规则配位多面体规则对于 Ti4+ 配位数为 6对于 Ba2+ 配位数为 12符合鲍林第一规则鲍林第二规则电价规则即负离子电荷 Z-= 则 O2-离子电荷= 与 O2-离子电荷相等，故符合鲍林第二规则，又根据钙钛矿型结构知其配位多面体不存在共棱或共面的情况，结构情况也符合鲍林第四规则不同配位体连接方式规则和鲍林第五规则节约规则所以钙钛矿结构遵守鲍林规则。2-26 硅酸盐晶体结构有何特点？怎样表征其学式？答：硅酸盐晶体结构非常复杂，但不同的结构之间具有下面的

14、共同特点：（1）结构中的 Si4+离子位于 O2-离子形成的四面体中心，构成硅酸盐晶体的基本结构单元SiO4四面体。Si-O-Si 是一条夹角不等的折线，一般在 145左右。（2）SiO 4四面体的每个顶点，即 O2-离子最多只能为两个SiO 4四面体所共用。（3）两个相邻的SiO 4四面体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。（4）SiO 4四面体中心的 Si4+离子可以部分地被 Al3+离子所取代，取代后结构本身不发生太大变化，即所谓的同晶取代，但晶体的性质发生了很大的变化。这为材料的改性提供了可能。硅酸盐的化学式表征方法主要有以下两种：（1）氧化物表示法将构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比

15、例和顺序全部写出来，先是 1 价的碱金属氧化物，其次是 2 价、3 价的金属氧化物，最后是 SiO2（2）无机络合盐表示法构成硅酸盐晶体的所有离子按一定的比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子用中括号括起来即可。先是 1 价、2 价的金属离子，其次是 Al3+离子和 Si4+离子，最后是 O2-离子和 OH-离子。氧化物表示法的优点在于一目了然的反应出晶体的化学组成，可以按此配料来进行晶体的实验室合成。用无机络合盐法则可以比较直观的反应出晶体所属的结构类型，进而可以对晶体结构及性质作出一定程度的预测。两种表示方法之间可以相互转换。2-27 硅酸盐晶体的分类依据是什么？可分为那几类，每类的结构

16、特点是什么？答：硅酸盐晶体主要是根据SiO 4在结构中的排列结合方式来分类，具体可以分为五类：岛状、组群状、链状、层状和架状。结构和组成上的特征见下表：结构类型 SiO4共用 O2-数 形状 络阴离子团 Si:OI 岛状 0 四面体 SiO44- 1:4组群状 1222双四面体三节环四节环六节环Si2O76-Si3O96-Si4O128-Si6O1812-2:71:31:31:3链状 22、3单链双链Si2O64-Si4O116-1:34:11层状 3 平面层 Si4O104- 4:10架状 4 骨架 SiO44-(AlxSi4-x)O8x-1:41:42-28 下列硅酸盐矿物各属何种结构类型

17、：Mg 2SiO4，KAlSi 3O8，CaMgSi 2O6，Mg3Si4O10（OH） 2，Ca 2AlAlSiO7。答：分别为岛状；架状；单链；层状（复网）；组群（双四面体）。2-29 根据 Mg2SiO4在（100）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）O 2 的电价是否饱和？（3）晶胞的分子数是多少？（4）Si4 和 Mg2 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，SiO 4，MgO 6，同层的MgO6八面体共棱，如 59MgO6和49MgO6共棱 75O2-和 27O2-，不同层的MgO 6八面体共顶，如 1MgO6和 51MgO6共顶是22O2-，同层的MgO 6与SiO 4共顶，如 TMgO6和 7SiO4共顶 22O2-，不同层的MgO 6与SiO4共棱，TMgO 6和 43SiO4共 28O2-和 28O2-；