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材料科學(xué)基礎(chǔ)試題庫答案-資料下載頁

2025-06-19 17:12本頁面
  

【正文】 過渡是逐步完成的,兩者之間無明顯界限。無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說:玻璃的結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)相似,同樣形成連續(xù)的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但玻璃的網(wǎng)絡(luò)與晶體的網(wǎng)絡(luò)不同,玻璃的網(wǎng)絡(luò)是不規(guī)則的、非周期性的,因此玻璃的內(nèi)能比晶體的內(nèi)能要大。由于玻璃的強(qiáng)度與晶體的強(qiáng)度屬于同一個(gè)數(shù)量級,玻璃的內(nèi)能與相應(yīng)晶體的內(nèi)能相差并不多,因此它們的結(jié)構(gòu)單元(四面體或三角體)應(yīng)是相同的,不同之處在與排列的周期性。微晶學(xué)說強(qiáng)調(diào)了玻璃結(jié)構(gòu)的不均勻性、不連續(xù)性及有序性等方面特征,成功地解釋了玻璃折射率在加熱過程中的突變現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò)學(xué)說強(qiáng)調(diào)了玻璃中離子與多面體相互間排列的均勻性、連續(xù)性及無序性等方面結(jié)構(gòu)特征。、生長速率隨DT變化的關(guān)系圖中,標(biāo)出哪一條曲線代表成核速率,哪一條曲線代表生長速率?為什么?速率D TIVu速率TmIVu原因:低溫熔體粘度大,質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)困難易聚結(jié)在一起而成核,即低溫有利于成核; 高溫熔體粘度小,質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)速率大,晶核易相遇形成 大的晶核而長大,即高溫有利于生長。 ? 在固態(tài)下和液態(tài)下這兩者有何差別 ?解:表面張力:垂直作用在單位長度線段上的表面緊縮力或?qū)⑽矬w表面增大一個(gè)單位所需作的功;σ=力/總長度N/m表面能:恒溫、恒壓、恒組成情況下,可逆地增加物系表面積須對物質(zhì)所做的非體積功稱為表面能;J/m2 =N/m液體:不能承受剪應(yīng)力,外力所做的功表現(xiàn)為表面積的擴(kuò)展,因?yàn)楸砻鎻埩εc表面能數(shù)量是相同的;固體:能承受剪切應(yīng)力,外力的作用表現(xiàn)為表面積的增加和部分的塑性形變,表面張力與表面能不等。,同一種物質(zhì),其固體的表面能要比液體的表面能大,試說明原因。 解:同一種物質(zhì),其液體固體的表面結(jié)構(gòu)不同,液體分子可自由移動(dòng),總是通過形成球形表面來降低其表面能;固體則不能,固體質(zhì)點(diǎn)不能自由移動(dòng),只能通過表面質(zhì)點(diǎn)的極化、變形、重排來降低系統(tǒng)的表面能,固體表面處于高能量狀態(tài)(由于表面力的存在)。0022. 影響濕潤的因素有那些? 解:⑴ 固體表面粗糙度 當(dāng)真實(shí)接觸角θ小于90176。時(shí),粗糙度越大,表面接觸角越小,就越容易濕潤;當(dāng)θ大于90176。,則粗糙度越大,越不利于濕潤。 ⑵ 吸附膜 吸附膜的存在使接觸角增大,起著阻礙作用。 ? 解:吸附是固體表面力場與吸附分子發(fā)出的力場相互作用的結(jié)果,它是發(fā)生在固體上的。根據(jù)相互作用力的性質(zhì)不同,可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種。 物理吸附:由分子間引力引起的,這時(shí)吸附物分子與吸附劑晶格可看作是兩個(gè)分立的系統(tǒng)。 化學(xué)吸附:伴隨有電子轉(zhuǎn)移的鍵合過程,這時(shí)應(yīng)把吸附分子與吸附劑晶格作為一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)來處理。 ? 解:兩種不同熱膨脹系數(shù)的晶相,在高溫燃燒時(shí),兩個(gè)相完全密合接觸,處于一種無應(yīng)力狀態(tài),但當(dāng)它們冷卻時(shí),由于熱膨脹系數(shù)不同,收縮不同,晶界中就會(huì)存在應(yīng)力。晶界中的應(yīng)力大則有可能在晶界上出現(xiàn)裂紋,甚至使多晶體破裂,小則保持在晶界內(nèi)。 ?解:在573℃以下的低溫,SiO2的穩(wěn)定晶型為b -石英,加熱至573℃轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷匦偷腶 -石英,這種轉(zhuǎn)變較快;冷卻時(shí)在同一溫度下以同樣的速度發(fā)生逆轉(zhuǎn)變。如果加熱速度過快,則a -石英過熱而在1600℃時(shí)熔融。如果加熱速度很慢,則在870℃轉(zhuǎn)變?yōu)閍 -鱗石英。a -鱗石英在加熱較快時(shí),過熱到1670℃時(shí)熔融。當(dāng)緩慢冷卻時(shí),在870℃仍可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)閍 -石英;當(dāng)迅速冷卻時(shí),沿虛線過冷,在163℃轉(zhuǎn)變?yōu)榻榉€(wěn)態(tài)的b -鱗石英,在117℃轉(zhuǎn)變?yōu)榻榉€(wěn)態(tài)的g -鱗石英。加熱時(shí)g -鱗石英仍在原轉(zhuǎn)變溫度以同樣的速度先后轉(zhuǎn)變?yōu)閎 -鱗石英和a -鱗石英。a -鱗石英緩慢加熱,在1470℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閍 -方石英,繼續(xù)加熱到1713℃熔融。當(dāng)緩慢冷卻時(shí),在1470℃時(shí)可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)閍 -鱗石英;當(dāng)迅速冷卻時(shí),沿虛 線過冷,在180~270℃轉(zhuǎn)變?yōu)榻榉€(wěn)狀態(tài)的b -方石英;當(dāng)加熱b -方石英仍在180~270℃迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)的a -方石英。熔融狀態(tài)的SiO2由于粘度很大,冷卻時(shí)往往成為過冷的液相--石英玻璃。雖然它是介穩(wěn)態(tài),由于粘度很大在常溫下可以長期不變。如果在1000℃以上持久加熱,也會(huì)產(chǎn)生析晶。熔融狀態(tài)的SiO2,只有極其緩慢的冷卻,才會(huì)在1713℃可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)閍 -方石英。對SiO2的相圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),SiO2的所有處于介穩(wěn)狀態(tài)的熔體的飽和蒸汽壓都比相同溫度范圍內(nèi)處于熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)的熔體的飽和蒸汽壓高。而理論和實(shí)踐證明,在給定的溫度范圍,具有最小蒸汽壓的相一定是最穩(wěn)定的相。所以由于晶型轉(zhuǎn)變速度不同,在不同的加熱或冷卻速率下,硅酸鹽制品中經(jīng)常出現(xiàn)介穩(wěn)態(tài)晶相。0026. 今有配料(1)3kg,配料(2)2kg,配料(3)5kg,若將此三配料混合加熱至完全熔融,試根據(jù)杠桿規(guī)則用作圖法求熔體的組成。解:根據(jù)題中所給條件,在濃度三角形中找到三個(gè)配料組成點(diǎn)的位置。連接配料(1)與配料(2)的組成點(diǎn),按杠桿規(guī)則求其混合后的組成點(diǎn)。再將此點(diǎn)與配料(3)的組成點(diǎn)連接,此連線的中點(diǎn)即為所求的熔體組成點(diǎn)。0027. 說明影響固相反應(yīng)的因素? 解:反應(yīng)物化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)的影響;顆粒度和分布影響;反應(yīng)溫度、壓力、氣氛影響;礦化劑的影響。,要有一點(diǎn)過冷或過熱才能發(fā)生相變? 什么情況下需過冷,什么情況下需過熱,試證明之。解:由熱力學(xué)可知,在等溫、等壓下有 在平衡條件下,則有 式中:0是相變的平衡溫度;為相變熱。若在任意溫度的不平衡條件下,則有 若與不隨溫度而變化,將上式代入上式得: 可見,相變過程要自發(fā)進(jìn)行,必須有,則。若相變過程放熱(如凝聚、結(jié)晶等)。要使,必須有,即,這表明系統(tǒng)必須“過冷”。若相變過程吸熱(如蒸發(fā)、熔融等),要滿足這一條件則必須,即,這表明系統(tǒng)要自發(fā)相變則必須“過熱”。,并舉一例說明之。解:硅酸鹽礦物按照硅氧四面體的連接方式進(jìn)行分類,具體類型見下表。結(jié)構(gòu)類型 共用氧數(shù) 形狀 絡(luò)陰離子 氧硅比 實(shí)例 島狀 0 四面體 [SiO4]4 4 鎂橄欖石Mg2[SiO4] 組群狀 1~2 六節(jié)環(huán) [Si6O18]12 ~3 綠寶石Be3Al2[Si6O18] 鏈狀 2~3 單鏈 [Si2O6]4 3~ 透輝石CaMg[Si2O6] 層狀 3 平面層 [Si4O10]4 滑石Mg3[Si4O10](OH)2 架狀 4 骨架 [SiO2] 2 石英SiO2 0030.(a)什么叫陽離子交換?答:在粘土礦物中,如果[AlO6]層中部分Al3+被Mg2+、Fe2+代替時(shí),一些水化陽離子(如Na+、Ca2+等)進(jìn)入層間,來平衡多余的負(fù)電荷,在一定條件下這些陽離子可以被其它陽離子交換,這種現(xiàn)象稱為陽離子交換。、蒙脫石陽離子交換容量差異的原因。答:高嶺石的陽離子交換容量較小,而蒙脫石的陽離子交換容量較大。因?yàn)楦邘X石是1:1型結(jié)構(gòu),單網(wǎng)層與單網(wǎng)層之間以氫鍵相連,氫鍵強(qiáng)于范氏鍵,水化陽離子不易進(jìn)入層間,因此陽離子交換容量較小。而蒙脫石是為2:1型結(jié)構(gòu),復(fù)網(wǎng)層間以范氏鍵相連,層間聯(lián)系較弱,水化陽離子容易進(jìn)入復(fù)網(wǎng)層間以平衡多余的負(fù)電荷,因此蒙脫石的陽離子交換容量較大。、伊利石同晶取代的不同,說明在平衡負(fù)電荷時(shí)為什么前者以水化陽離子形式進(jìn)入結(jié)構(gòu)單元層,而后者以配位陽離子形式進(jìn)入結(jié)構(gòu)單元層。答:蒙脫石和伊利石均為2:1型結(jié)構(gòu)。但是,蒙脫石的鋁氧八面體層中大約有1/3的Al3+被Mg2+所取代,平衡電荷的水化陽離子半徑大,而且水化陽離子與負(fù)電荷之間距離遠(yuǎn),覆網(wǎng)層之間的結(jié)合力弱,所以進(jìn)入層間位置。伊利石的硅氧四面體層中約1/6的Si4+被Al3+所取代,K+進(jìn)入復(fù)網(wǎng)層間以平衡多余的負(fù)電荷,K+位于上下二層硅氧層的六邊形網(wǎng)絡(luò)的中心,構(gòu)成[KO12],K+與硅氧層中的負(fù)電荷距離近,結(jié)合力較強(qiáng),因此以配位離子形式進(jìn)入結(jié)構(gòu)單元。+、Mg2+、Ca2+,其鹵化物BeF2和SiO2結(jié)構(gòu)同,MgF2與TiO2(金紅石型)結(jié)構(gòu)同,CaF2則有螢石型結(jié)構(gòu),分析其原因。答:堿土金屬離子Be2+、Mg2+、Ca2+,隨著原子序數(shù)的增大,離子半徑逐漸增大,極化性能變化不大。當(dāng)陰離子同為F時(shí),使得其r+/r增大,配位數(shù)增大,由BeF2的4配位到MgF2的6配位,再到CaF2的8配位。,為什么其堆積系數(shù)僅為34%。答:為了分析晶體結(jié)構(gòu)方便起見,金剛石結(jié)構(gòu)中C原子可以看成按面心立方排列。但實(shí)際上由于C原子之間是共價(jià)鍵,具有方向性和飽和性,每個(gè)C原子只與4個(gè)C原子形成價(jià)鍵(緊密相鄰),所以并沒有達(dá)到緊密堆積(緊密堆積時(shí)每個(gè)原子同時(shí)與12個(gè)原子緊密相鄰),其晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在很多空隙。所以其堆積系數(shù)僅為34%,%。 ,而它們與水作用時(shí)則CaO要比MgO活潑,試解釋之。解:rMg2+與rCa2+不同,rCa2+ rMg2+,使CaO結(jié)構(gòu)較MgO疏松,H2O易于進(jìn)入,所以活潑。:Mg2[SiO4],K[AISi3O8],CaMg[Si2O6], Mg3[Si4O10](OH)2,Ca2Al[AlSiO7]。解:島狀;架狀;單鏈;層狀(復(fù)網(wǎng));組群(雙四面體)。[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。解:透閃石雙鏈結(jié)構(gòu),鏈內(nèi)的SiO鍵要比鏈間的CaO、MgO鍵強(qiáng)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(gè)[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。、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。解:石墨中同層C原子進(jìn)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(yùn)動(dòng),可以導(dǎo)電,層間分子間力作用,所以石墨比較軟。,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(jià)規(guī)則說明Al3+置換骨架中的Si4+時(shí),通常不超過一半,否則將使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。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(jìn)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(shí),結(jié)構(gòu)單元[AlSiO4][ASiO5],失去了電中性,有過剩的負(fù)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(jìn)入結(jié)構(gòu)中;(3)設(shè)Al3+置換了一半的Si4+,則O2與一個(gè)Si4+一個(gè)Al3+相連,陽離子靜電鍵強(qiáng)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。 ,并說明原因。答:如水泥與混凝土集料之間,表面愈粗糙,潤濕性愈好;陶瓷元件表面被銀,必須先將瓷件表面磨平并拋光,才能提高瓷件與銀層之間潤濕性。原因:當(dāng)真實(shí)接觸角小于90186。時(shí),粗糙度愈大,就容易潤濕;當(dāng)真實(shí)接觸角大于90186。時(shí),則粗糙度愈大,愈不利于潤濕。D晶內(nèi)?答:晶界上質(zhì)點(diǎn)排列結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部, 較晶體內(nèi)疏松, 原子排列混亂, 存在著許多空位、位錯(cuò)、鍵變形等缺陷, 使之處于應(yīng)力畸變狀態(tài),具有較高能量, 質(zhì)點(diǎn)在晶界遷移所需活化能較晶內(nèi)為小,擴(kuò)散系數(shù)為大。(內(nèi)部條件)答:熔體在冷卻過程中,會(huì)出現(xiàn)三種相變過程:結(jié)晶化、玻璃化和分相。熔體在冷卻過程中發(fā)生何種相變?nèi)Q于熔體組成和冷卻速率。⑴ 結(jié)晶化:有序度不斷增加,直到釋放全部多余能量而使整個(gè)熔體晶化為止。⑵ 玻璃化:過冷熔體在轉(zhuǎn)變溫度Tg硬化為固態(tài)玻璃的過程。⑶ 分相:質(zhì)點(diǎn)遷移過程使熔體內(nèi)某些組成偏聚,從而形成互不混溶的組成不同的兩個(gè)玻璃相。⑷ 比較:玻璃化和分相均沒有釋放出全部多余的能量,因此與結(jié)晶化比較,玻璃化和分相都處于比較能量高的亞穩(wěn)態(tài)。然而由于玻璃與晶體的內(nèi)能差值不大,故析晶能力比較小,因此這種亞穩(wěn)態(tài)在實(shí)際上能夠長時(shí)間穩(wěn)定存在。:答:⑴楊氏模型中假設(shè)球形顆粒反應(yīng)截面積始終不變,而金氏模型中假設(shè)反應(yīng)產(chǎn)物層厚度x隨時(shí)間而向球中心推進(jìn)。⑵楊氏方程僅適用轉(zhuǎn)化率,而金氏方程能適應(yīng)更大的反應(yīng)程度,適合轉(zhuǎn)化率。⑶金氏方程有較好的普遍性,可從其方程本身得到進(jìn)一步的說明。 答:①前者胚體內(nèi)晶粒尺寸均勻生長,服從公式DL ∝d/f,而后者是個(gè)別晶粒異常生長,不服從該公式。②前者是平均尺寸增長,不存在晶核,界面處于平衡狀態(tài),界面無應(yīng)力,而后者的大晶粒界面上有應(yīng)力存在。③前者氣孔都維持在晶界上或晶界交匯處,而后者氣孔被包裹到晶核內(nèi)部。NaCl形成肖特基缺陷; AgI形成弗侖克爾缺陷(Ag+進(jìn)入間隙);TiO2摻入到Nb2O3中,請寫出二個(gè)合理的方程,并判斷可能成立的方程是哪一種?再寫出每個(gè)方程的固溶體的化學(xué)式。NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶體。CaCl2溶解到KCI中形成間隙固溶體解: O?VNa 180。+VCl˙ AgAg→Agi˙+VAg180。 3TiO23TiNb˙+VNb180。180。180。+6OO Nb24xTi3xO3 可能成立 2TiO22TiNb˙+Oi180。180。+3OO Nb22xTi2xO3+x NaClNaCa180。+ClCl+VCl˙CaCl2 (2kCl)→ Cai。+2Clcl+2Vk, :為什么非均相成核比均相成核更易進(jìn)行? 解:因?yàn)椤鱃c =△(θ)并且:f(θ)=(2+COSθ)(1 COSθ)2/4,當(dāng):θ=90度時(shí),f(θ)=(2+COSθ)(1 COSθ)2/4=(2+0)(1 0)2/4=2/4=1/2,所
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