【正文】 第一章 緒論 仔細觀察一下白熾燈泡，會發(fā)現(xiàn)有多少種不同的材料？每種材料需要何種熱學(xué)、電學(xué)性質(zhì)？ 為什么金屬具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性？ 為什么陶瓷、聚合物通常是絕緣體？ 鋁原子的質(zhì)量是多少？，計算1mm3中有多少原子？ 為了防止碰撞造成紐折，汽車的擋板可有裝甲制造，但實際應(yīng)用中為何不如此設(shè)計？說出至少三種理由。 描述不同材料常用的加工方法。 敘述金屬材料的類型及其分類依據(jù)。 試將下列材料按金屬、陶瓷、聚合物或復(fù)合材料進行分類： 黃銅 鋼筋混凝土 橡膠 氯化鈉 鉛錫焊料 瀝青 環(huán)氧樹脂 鎂合金 碳化硅 混凝土 石墨 玻璃鋼 Al2O3陶瓷既牢固又堅硬且耐磨，為什么不用Al2O3制造鐵錘？第二章 晶體結(jié)構(gòu)解釋下列概念晶系、晶胞、晶胞參數(shù)、空間點陣、米勒指數(shù)（晶面指數(shù)）、離子晶體的晶格能、原子半徑與離子半徑、配位數(shù)、離子極化、同質(zhì)多晶與類質(zhì)同晶、正尖晶石與反正尖晶石、反螢石結(jié)構(gòu)、鐵電效應(yīng)、壓電效應(yīng).（1）一晶面在x、y、z軸上的截距分別為2a、3b、6c，求出該晶面的米勒指數(shù)；（2）一晶面在x、y、z軸上的截距分別為a/b/c，求出該晶面的米勒指數(shù)。在立方晶系的晶胞中畫出下列米勒指數(shù)的晶面和晶向：（001）與[210]，（111）與[112]，（110）與[111]，（322）與[236]，（257）與[111]，（123）與[121]，（102），（112），（213）， [110]，[111]，[120]，[321]寫出面心立方格子的單位平行六面體上所有結(jié)點的坐標(biāo)。已知Mg2+，計算MgO晶體結(jié)構(gòu)的堆積系數(shù)與密度。計算體心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子數(shù)、配位數(shù)、堆積系數(shù)。從理論計算公式計算NaC1與MgO的晶格能。MgO的熔點為2800℃，NaC1為80l℃, 請說明這種差別的原因。根據(jù)最密堆積原理，空間利用率越高，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，金鋼石結(jié)構(gòu)的空間利用率很低(％)，為什么它也很穩(wěn)定? 證明等徑圓球面心立方最密堆積的空隙率為25．9％；金屬鎂原子作六方密堆積，求它的晶胞體積。1根據(jù)半徑比關(guān)系，說明下列離子與O2—配位時的配位數(shù)各是多? ro2= rSi4+= rK+= rAl3+= rMg2+=1為什么石英不同系列變體之間的轉(zhuǎn)化溫度比同系列變體之間的轉(zhuǎn)化溫度高得多？1有效離子半徑可通過晶體結(jié)構(gòu)測定算出。在下面NaCl型結(jié)構(gòu)晶體中，測得MgS和MnS的晶胞參數(shù)均為a=(在這兩種結(jié)構(gòu)中，陰離子是相互接觸的)。若CaS(a=)、CaO(a=)和MgO(a=)為一般陽離子——陰離子接觸，試求這些晶體中各離子的半徑。1氟化鋰(LiF)為NaCl型結(jié)構(gòu)，／cm3，根據(jù)此數(shù)據(jù)汁算晶胞參數(shù)，并將此值與你從離子半徑計算得到數(shù)值進行比較。1Li2O的結(jié)構(gòu)是O2作面心立方堆積，Li+占據(jù)所有四面體空隙位置。求：　　(1)計算四面體空隙所能容納的最大陽離子半徑，并與書末附表Li+半徑比較，說明此時O2能否互相接觸?！　?2)根據(jù)離子半徑數(shù)據(jù)求晶胞參數(shù)?！　?3)求Li2O的密度。 1試解釋對于AX型化合物來說，正負離子為一價時多形成離子化合物。二價時則形成的離子化合物減少(如ZnS為共價型化合物)，到了三價、四價(如AlN，SiC)則是形成共價化合物了。1MgO和CaO同屬NaCl型結(jié)構(gòu)，而它們與水作用時則CaO要比MgO活潑，試解釋之。1根據(jù)CaF2晶胞圖畫出CaF2晶胞的投影圖。1算一算CdI2晶體中的I及CaTiO3晶體中O2的電價是否飽和。(1)畫出O2作而心立方堆積時，各四面體空隙和八面體空隙的所在位置(以一個晶胞為結(jié)構(gòu)基元表示出來)。　　(2)計算四面體空隙數(shù)、八而休空隙數(shù)與O2數(shù)之比。 　　(3)根據(jù)電價規(guī)則，在下面情況下，空隙內(nèi)各需填入何種價數(shù)的陽離子，并對每一種結(jié)構(gòu)舉出—個例子。　 （a）所有四面體空隙位置均填滿；　　(b) 所有八而體空隙位置均填滿；　　(c) 填滿—半四面體空隙位置；　　(d) 填滿—半八面休空隙位置。2下列硅酸鹽礦物各屬何種結(jié)構(gòu)類型：　　Mg2[SiO4]，K[AISi3O8]，CaMg[Si2O6]， Mg3[Si4O10](OH)2，Ca2Al[AlSiO7]。2根據(jù)Mg2[SiO4]在(110)面的投影圖回答： 　　(1) 結(jié)構(gòu)中有幾種配位多面體，各配位多面體間的連接方式怎樣?　　(2) O2的電價是否飽和? 　　(3) 晶胞的分子數(shù)是多少? 　　(4) Si4+和Mg2+所占的四面體空隙和八面體空隙的分?jǐn)?shù)是多少? 2石棉礦如透閃石Ca2Mg5[Si4O11](OH)2具有纖維狀結(jié)晶習(xí)性，而滑石Mg2[Si4O10](OH)2卻具有片狀結(jié)晶習(xí)性，試解釋之。2石墨、滑石和高嶺石具有層狀結(jié)構(gòu)，說明它們結(jié)構(gòu)的區(qū)別及由此引起的性質(zhì)上的差異。2(1)在硅酸鹽晶體中，Al3+為什么能部分置換硅氧骨架中的Si4+；　　(2) Al3+置換Si4+后，對硅酸鹽組成有何影響? 　　(3)用電價規(guī)則說明Al3+置換骨架中的Si4+時，通常不超過一半，否則將使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。答案略。解：（1）h:k:l=1/2:1/3:1/6=3:2:1,∴該晶面的米勒指數(shù)為（321）；（2）（321）略。略。解：MgO為NaCl型，O2做密堆積，Mg2+填充空隙。rO2 =，rMg2+=，z=4，晶胞中質(zhì)點體積：(4/3πr O23+4/3πrMg2+ 3)4，a=2(r++r)，晶胞體積=a3，堆積系數(shù)=晶胞中MgO體積/晶胞體積=%，密度=晶胞中MgO質(zhì)量/晶胞體積=。解：體心：原子數(shù) 2，配位數(shù) 8，堆積密度 %；　　　 面心：原子數(shù) 4，配位數(shù) 6，堆積密度 %；　　　 六方：原子數(shù) 6，配位數(shù) 6，堆積密度 %。解：u=z1z2e2N0A/r0(11/n)/4πε0，e=1019，ε0=1012，N0=1023，NaCl：z1=1，z2=1，A=，nNa+=7，nCl=9，n=8，r0=，u NaCl=752KJ/mol；MgO：z1=2，z2=2，A=，nO2=7，nMg2+=，n=7，r0=，uMgO=392KJ/mol；∵uMgO uNaCl，∴MgO的熔點高。略。解：設(shè)球半徑為a，則球的體積為4/3πa3，求的z=4，則球的總體積（晶胞）44/3πa3，立方體晶胞體積：(2a)3=16a3，空間利用率=球所占體積/空間體積=%，空隙率=%=%。解：ρ=m/V晶=，V=1022。1解：Si4+4；K+12；Al3+6；Mg2+6。1略。1解：MgS中a=?，陰離子相互接觸，a=2r，∴rS2=?；CaS中a=?，陰陽離子相互接觸，a=2(r++r)，∴rCa 2+=?；CaO中a=?， a=2(r++r)，∴rO2=?；MgO中a=?， a=2(r++r)，∴rMg2+=?。1解：LiF為NaCl型結(jié)構(gòu)，z=4，V=a3，ρ=m/V=，a=?，根據(jù)離子半徑a1=2(r++r)=?，aa1。1解：（1）如圖是一個四面體空隙，O為四面體中心位置。AO=r++r，BC=2r，CE=r，CG=2/3CE=2r/3，AG=2r/3，△OGC∽△EFC，OG/CG=EF/CF，OG=EF/CFCG=r/6，AO=AGOG=r/2，r+=AOr =(/21)r=?，查表知rLi+=? ?，∴O2不能互相接觸?！　　　　　。?）體對角線=a=4(r++r)，a=?；（3）ρ=m/V=1略。1解：rMg2+與rCa2+不同，rCa2+ rMg2+，使CaO結(jié)構(gòu)較MgO疏松，H2O易于進入，所以活潑。18.19.（1）略；　 （2）四面體空隙數(shù)/O2數(shù)=2:1，八面體空隙數(shù)/O2數(shù)=1:1；　 （3）(a)CN=4，z+/48=2，z+=1，Na2O，Li2O；(b)CN=6，z+/66=2，z+=2，F(xiàn)eO，MnO；（c）CN=4，z+/44=2，z+=4，ZnS，SiC；(d)CN=6，z+/63=2，z+=4，MnO2。2解：島狀；架狀；單鏈；層狀（復(fù)網(wǎng)）；組群（雙四面體）。2解：（1）有兩種配位多面體，[SiO4]，[MgO6]，同層的[MgO6]八面體共棱，如59[MgO6]和49[MgO6]共棱75O2和27O2，不同層的[MgO6]八面體共頂，如1[MgO6]和51[MgO6]共頂是22O2，同層的[MgO6]與[SiO4]共頂，如T[MgO6]和7[SiO4]共頂22O2，不同層的[MgO6]與[SiO4]共棱，T[MgO6]和43[SiO4]共28O2和28O2； （3）z=4； （4）Si4+占四面體空隙=1/8，Mg2+占八面體空隙=1/2。2解：透閃石雙鏈結(jié)構(gòu)，鏈內(nèi)的SiO鍵要比鏈5的CaO、MgO鍵強很多，所以很容易沿鏈間結(jié)合力較弱處劈裂成為纖維狀；滑石復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，復(fù)網(wǎng)層由兩個[SiO4]層和中間的水鎂石層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，復(fù)網(wǎng)層與復(fù)網(wǎng)層之間靠教弱的分之間作用力聯(lián)系，因分子間力弱，所以易沿分子間力聯(lián)系處解理成片狀。2解：石墨中同層C原子進行SP2雜化，形成大Π鍵，每一層都是六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于間隙較大，電子可在同層中運動，可以導(dǎo)電，層間分子間力作用，所以石墨比較軟。2解：（1）Al3+可與O2形成[AlO4]5；Al3+與Si4+處于第二周期，性質(zhì)類似，易于進入硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中與Si4+發(fā)生同晶取代，由于鮑林規(guī)則，只能部分取代；（2）Al3+置換Si4+是部分取代，Al3+取代Si4+時，結(jié)構(gòu)單元[AlSiO4][ASiO5]，失去了電中性，有過剩的負電荷，為了保持電中性，將有一些半徑較大而電荷較低的陽離子如K+、Ca2+、Ba2+進入結(jié)構(gòu)中；（3）設(shè)Al3+置換了一半的Si4+，則O2與一個Si4+一個Al3+相連，陽離子靜電鍵強度=3/41+4/41=7/4，O2電荷數(shù)為2，二者相差為1/4，若取代超過一半，二者相差必然1/4，造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。第三章 晶體結(jié)構(gòu)缺陷 說明下列符號的含義：　　　　VNa，VNa’，VCl?，.(VNa’VCl?)，CaK?，CaCa，Cai??寫出下列缺陷反應(yīng)式：　(1)NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶體；　(2)CaCl2溶人NaC1中形成空位型固溶體；　(3)NaCl形成肖脫基缺陷；　(4)AgI形成弗侖克爾缺陷(Ag+進入間隙)。／厘米3，計算單位晶胞MgO的肖脫基缺陷數(shù)。(a)MgO晶體中，肖脫基缺陷的生成能為6eV，計算在25℃和1600℃時熱缺陷的濃度。(b)如果MgO晶體中，含有百萬分之一摩爾的A12O3雜質(zhì)，則在1600℃時，MgO晶體中是熱缺陷占優(yōu)勢還是雜質(zhì)缺陷占優(yōu)勢，說明原因。MgO晶體的肖特基缺陷生成能為84kJ／mol，計算該晶體在1000K和1500K的缺陷濃度。 非化學(xué)計量化合物FexO中，F(xiàn)e3+／Fe2+=，求FexO中的空位濃度及x值。 非化學(xué)計量缺陷的濃度與周圍氣氛的性質(zhì)、壓力大小相關(guān)，如果增大周圍氧氣的分壓，非化學(xué)計量化合物Fe1XO及Zn1+XO的密度將發(fā)生怎么樣的變化?增大還是減小?為什么?對于刃位錯和螺位錯，區(qū)別其位錯線方向、柏氏矢量和位錯運動方向的特點。 內(nèi)含有一個正刃位錯和一個負刃位錯?！?a)圍繞兩個位錯柏格斯回路，最后得柏格斯矢量若干？　(b)圍繞每個位錯分別作柏氏回路，其結(jié)果又怎樣? 有兩個相同符號的刃位錯，在同一滑移面上相遇，它們將是排斥還是吸引？1晶界對位錯的運動將發(fā)生怎么樣的影響？能預(yù)計嗎？1晶界有小角度晶界與大角度晶界之分，大角度晶界能用位錯的陣列來描述嗎？1試述影響置換型固溶體的固溶度的條件。 1從化學(xué)組成、相組成考慮，試比較固溶體與化合物、機械混合物的差別。1試闡明固溶體、晶格缺陷和非化學(xué)計量化合物三者之間的異同點，列出簡明表格比較。1在面心立方空間點陣中，面心位置的原子數(shù)比立方體頂角位置的原子數(shù)多三倍。原子 B溶入A晶格的面心位置中，形成置換型固溶體，其成分應(yīng)該是A3B呢還是A2B？為什么?1Al2O3在MgO中形成有限固溶體，在低共熔溫度1995℃時，約有18重量％Al2O3溶入MgO中，假設(shè)MgO單位晶胞尺寸變化可忽略不計。試預(yù)計下列情況的密度變化?！　?a) O2為填隙離子?！　?b) A13+為置換離子。1對磁硫鐵礦進行化學(xué)分析：按分析數(shù)據(jù)的Fe／S計算，得出兩種可能的成分：Fe1xS 和FeS1x。前者意味著是Fe空位的缺陷結(jié)構(gòu)；后者是Fe被置換。設(shè)想用一種實驗方法以確定該礦物究竟屬哪一類成分。1說明為什么只有置換型固溶體的兩個組份之間才能相互完全溶解，而填隙型固溶體則不能。如果(1)溶劑和溶質(zhì)原子的原子半徑相差超過177。15％；(2)兩元素的電負性相差超過 177。％，通常這一對元素將不利于形成置換型固溶體，其中前一因素往往起主導(dǎo)作用。僅根據(jù)提供的資料提出哪一對金屬大概不會形成連續(xù)固溶體：Ta—W，Pt—Pb．Co一Ni，Co—Zn，Ti—Ta。 金屬原子半徑(nm)晶體結(jié)構(gòu)金屬原子半徑(nm)晶體結(jié)構(gòu)Ti Co Ni 六方 (883 ℃ ) 體心立方(883 ℃ ) 六方 (427 ℃ ) 面心立方(~427 ℃ ) 面心立方 Zn Ta W Pt Pd 六方 體心立方 體心立方 面心立方 面心立方 2對于MgO、Al2O3，和Cr2O3，其正、則A1203和Cr23形成連續(xù)固溶體。 　(a)這個結(jié)果可能嗎?為什么? 　(b)試預(yù)計，在MgO—Cr2O3系統(tǒng)中的固溶度是有限的還是無限的?為什么?2某種NiO是非化學(xué)計量的，如果NiO中Ni3+/Ni2+=104，問每m3中有多少載流子。2在MgOAl2O3和PbTiO2PbZrO3中哪一對形成有限固溶體，哪一對形成無限固溶體，為什么? 2將CaO外加到ZrO2中去能生成不等價置換固溶體，在1600℃時，該固體具有立方螢石結(jié)構(gòu)，經(jīng)x射線分析測定，晶胞參數(shù)a=，實驗測定密度D=／cm3，對于CaOZr02固溶體來說，從滿足電中性來看，可以形成氧離子空位的固溶體也可形成Ca2+嵌入陰離子間隙中的固溶體，其固溶方程為： 請寫出兩種固溶體的化學(xué)式，并通過計算密度，判斷生成的是哪一種固溶體。答案解：鈉原子空位；鈉離子空位，帶一個單位負電荷；氯離子空位，帶一個單位正電荷；最鄰近的Na+空位、Cl空位形成的締合中心；Ca2+，帶一個單位正電荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+處于晶格間隙位置。解：（1）NaClNaCa’+ ClCl + VCl（2）CaCl2CaNa + 2ClCl + VNa’（3）OVNa’ + VCl（4）AgAgVAg’ + Agi解：設(shè)有缺陷的MgO晶胞的晶胞分子數(shù)為x，晶胞體積V=()3，x=ρVN0/M=,單位晶胞的肖脫基缺陷數(shù)=4x=。