无机材料科学基础习题与解答.docx

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1、3-6叙述硅酸盐晶体结构分类原则及各种类型的特点，并举一例说明之。解：硅酸盐矿物按照硅氧四面体的连接方式进行分类，具体类型见表3-1表3-1硅酸盐矿物的结构类型共用氧数,岛状0四面体[SiO4]4-4镁橄榄石Mg[SiC4]组群状1〜2六节环[Si6。8]12-3.5〜3绿宝石BeAL[Si6。8]链状2〜3单链[Si2C6]4-3〜2.5透辉石CaMg[Si2C6]层状3平面层[Si4O0]4-2.5滑石Mg[Si4Co](CH)2架状4骨架[SiC2]2石英SiC23-7堇青石与绿宝石有相同结构，分析其有显著的离子电导，较小的热膨胀

2、系数的原因。答：堇青石Mg2Al3[AlSi5O18]具有绿宝石结构，以(3Al3++2Mg2+)置换绿宝石中的(3Be2++2Al3+)。6个[SiO4]通过顶角相连形成六节环，沿c轴方向上下迭置的六节环内形成了一个空腔，成为离子迁移的通道，因而具有显著的离子电导；另外离子受热后，振幅增大，但由于能够向结构空隙中膨胀，所以不发生明显的体积膨胀，因而热膨胀系数较小。3-8(a)什么叫阳离子交换？(b)从结构上说明高岭石、蒙脱石阳离子交换容量差异的原因。(c)比较蒙脱石、伊利石同晶取代的不同，说明在平衡负电荷时为什么前者以水化阳离子形式进

3、入结构单元层，而后者以配位阳离子形式进入结构单元层。答：(a)在粘土矿物中，如果[A1O6]层中部分A13+被Mg2+、Fe2+代替时，一些水化阳离子(如Na+、Ca2+等)进入层间，来平衡多余的负电荷，在一定条件下这些阳离子可以被其它阳离子交换，这种现象称为阳离子交换。(b)高岭石的阳离子交换容量较小，而蒙脱石的阳离子交换容量较大。因为高岭石是1:1型结构，单网层与单网层之间以氢键相连，氢键强于范氏键，水化阳离子不易进入层间，因此阳离子交换容量较小。而蒙脱石是为2:1型结构，复网层间以范氏键相连，层间联系较弱，水化阳离子容易进入复网层

4、间以平衡多余的负电荷，因此蒙脱石的阳离子交换容量较大。(c)蒙脱石和伊利石均为2:1型结构。但是，蒙脱石的铝氧八面体层中大约有1/3的A13+被Mg2+所取代，平衡电荷的水化阳离子半径大，而且水化阳离子与负电荷之间距离远，覆网层之间的结合力弱，所以进入层间位置。伊利石的硅氧四面体层中约1/6的Si4+被A13+所取彳弋,K+进入复网层间以平衡多余的负电荷，K+位于上下二层硅氧层的六边形网络的中心，构成[KO12],K+与硅氧层中的负电荷距离近，结合力较强，因此以配位离子形式进入结构单元。3-9在透辉石CaMg[Si2O6]晶体结构中，O

5、2-与阳离子Ca2+、Mg2+、Si4+配位型式有哪几种，符合鲍林静电价规则吗？为什么？答：透辉石CaMg[Si2O6],O2-与阳离子Ca2+、Mg2+、Si4+配位型式有三种，即2个桥氧和2个非桥氧形成[SiO4],6个非桥氧形成[MgO6],4个桥氧和4个非桥氧形成[CaO8]。在教材的图3-22b中，同时与1个Si4+、2个Mg2+和1个Ca2+配位的非桥氧，其静电价强度总和为4X1/4+29X1/6+2>1/8=23/12,而同时与1个Si4+、1个Mg2+和1个Ca2+配位的非桥氧，其静电价强度总和为4X1/4+2X1/6+

6、2X1/8=19/12,小于其负电价；同时与2个Si4+、2个Ca2+配位的桥氧，其静电价强度总和为4X2X1/4+2>2X1/8=5/2,大于其负电价。所以不完全符合鲍林静电价规则。但是其总体电价仍然平衡的，晶体结构仍然是稳定的。原因在于Mg2+和Ca2+两种离子的离子半径不同、配位数不同、配位氧离子不同(桥氧或非桥氧)。3-10同为碱土金属阳离子Be2+、Mg2+、Ca2+,其卤化物BeF2和SiO2结构同，MgF2与TiO2(金红石型)结构同，CaF2则有萤石型结构，分析其原因。答：碱土金属离子Be2+、Mg2+、Ca2+,随着原

7、子序数的增大，离子半径逐渐增大，极化性能变化不大。当阴离子同为F-时，使得其r+/r-增大，配位数增大，由BeF2的4配位到MgF2的6配位，再到CaF2的8配位。3-11金刚石结构中C原子按面心立方排列，为什么其堆积系数仅为34%。答：为了分析晶体结构方便起见，金刚石结构中C原子可以看成按面心立方排列。但实际上由于C原子之间是共价键，具有方向性和饱和性，每个C原子只与4个C原子形成价键（紧密相邻），所以并没有达到紧密堆积（紧密堆积时每个原子同时与12个原子紧密相邻），其晶体结构内部存在很多空隙。所以其堆积系数仅为34%,远远小于紧密堆

8、积的74.05%。第四章晶体结构缺陷习题与解答4.1名词解释（a）弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷；（b）刃型位错和螺型位错解：（a）当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原