材料化学课后题答案第2章-材料的结构

-1-第二章参考答案1.原子间的结合键共有几种？各自特点如何？类型键合强弱形成晶体的特点离子键最强无饱和性和方向性:高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电共价键强有饱和性和方向性:低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、在熔态也不导电金属键较强无饱和性和方向性:配位数高、结构密堆、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性氢键弱有饱和性和方向性；高分子化合物形成氢键数目巨大，对其熔点及力学等性能影响大；对小分子熔点、沸点、溶解性、黏度也有一定影响。范德华键最弱无饱和性和方向性:结构密堆、高熔点、绝缘2.为什么可将金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题?答:金属晶体中金属原子之间形成的金属键即无饱和性又无方向性,其离域电子为所有原子共有,自由流动,因此整个金属单质可看成是同种元素金属正离子周期性排列而成,这些正离子的最外层电子结构都是全充满或半充满状态,电子分布基本上是球形对称,由于同种元素的原子半径都相等,因此可看成是等径圆球。又因金属键无饱和性和方向性,为使体系能量最低，金属原子在组成晶体时总是趋向形成密堆积结构,其特点是堆积密度大,配位数高,因此金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题.3.计算体心立方结构和六方密堆结构的堆积系数。-2-(1)体心立方a：晶格单位长度R：原子半径a34R34Ra，n=2,∴68.0)3/4()3/4(2)3/4(23333RRaRbcc(2)六方密堆n=64.试确定简单立方、体心立方和面心立方结构中原子半径和点阵参数之间的关系。解：简单立方、体心立方和面心立方结构均属立方晶系，点阵参数或晶格参数关系为90,cba，因此只求出a值即可。对于（1）fcc(面心立方)有aR24,24Ra，90,cba(2)bcc体心立方有：a34R34Ra；90,cba(3)简单立方有：Ra2，90,cba74.0)3(3812)3/4(6)2321(6)3/4(633hcpRRRRaacR＝Raac238-3-5.金属铷为A2型结构，Rb的原子半径为0.2468nm，密度为1.53g·cm-3，试求：晶格参数a和Rb的相对原子质量。解：AabcNnM其中,ρ为密度,cba、、为晶格常数,晶胞体积abcV，NA为阿伏加德罗常数6.022×1023mol-1，M为原子量或分子量，n为晶胞中分子个数，对于金属则上述公式中的M为金属原子的原子量，n为晶胞中原子的个数。对A2型，为体心立方，则有n=2，a34R，nmRa5700.0732.12468.0434AANanMabcNnM3210022.6)1057.0(53.123373nNaMA=85.30kg/mol6.FCC结构的镍原子半径为0.1243nm。试求镍的晶格参数和密度。解：对于镍金属原子晶体，因属面心立方，有440.1243nm220.3516nmra3823-34458.693.516106.02108.972gcmAMaN7.铀具有斜方结构，其晶格参数为a=0.2854nm，b=0.5869nm，c=0.4955nm；其原子半径为0.138nm，密度为19.05gcm-3。试求每单位晶胞的原子数目及堆积系数。斜方晶系即正交晶系：a≠b≠c,α=β=γ-4-8.6个O2-离子环绕一个Mg2+离子，将离子看成硬球，其半径分别是2Mg0.066nmR，2O0.140nmR。试求O2-离子之间隙距离。(岩盐型结构：负面心立方排列，正离子八面体间隙位)解：代表Mg离子。代表O离子9.已知金属镍为A1型结构，原子间接触距离为249.2pm，请计算：1）Ni立方晶胞的参数；2）金属镍的密度；3）分别计算（100）、（110）、（111）晶面的间距。解：对于面心立方A1型:原子间接触距离249.2pm=0.2492nm=2R,-5-（1）nmRa3525.022492.0224,（2）金属镍的密度：AANanMabcNnM33823-34458.693.516106.02108.972gcmAMaN（3）对于立方晶系，面间距公式为：0222hkladhkl因此有：(100)晶面间距:2221000013525.0d=0.3525nm(110)晶面间距:nmd2493.00113525.0222110(111)晶面间距:2035.033525.01113525.0222111dnm10.试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁时出现的体积变化。在转变温度下，体心立方铁的晶格参数是0.2863nm，而面心立方铁的点阵参数是0.359lnm。解:体心立方:V1=a3=(0.2863nm)3=0.02347nm3面心立方:V2=a3=(0.3591nm)3=0.04630nm3ΔV=V2-V1=0.02284nm3,因此体积增大0.02284nm311.单质Mn有一种同素异构体为立方结构，其晶胞参数为0.6326nm，密度=7.26gcm-3，原子半径r=0.112nm，计算Mn晶胞中有几个原子，其堆积系数为多少？-6-12固溶体与（液体）溶液有何异同？固溶体有几种类型？相同点：都有两种或两种以上的组分组成；都可以形成分散均匀、稳定的单一相，都存在溶解度不同点：状态不同，溶液为液态，固溶体为固态；结构不同，固溶体的溶质结构和溶剂相似，溶液只有在稀溶液时才相同；性质不同，固溶体的性质与溶剂有关，但溶液只有在稀溶液时才相同。分类：固溶体分为置换型固溶体和填充型固溶体13试述影响置换固溶体的固溶度的因素?答：有原子或离子半径大小，电价，化学键性质，晶体结构等因素。（1）原子或离子半径大小：%100121rrrr，Δr15%,形成连续固溶体；15%Δr30%,形成有限固溶体；Δr＞30%,难形成固溶体；（2）电价：两种固体只有在离子价相同或同号离子的离子价总和相同时，才能满足电中性要求，形成连续固溶体。（3）化学键相近，易形成连续固溶体。（4）晶体结构类型相同，易形成连续固溶体。-7-14．说明下列符号的含义：NaV：代表钠原子格点位置空位；'NaV代表钠离子格点位置空位,带一个有效负电荷CLV代表氯离子格点位置空位,带一个有效正电荷KCa钙离子取代钾离子,进入钾离子格点位置,带一个有效正电荷CaCa钙离子在钙离子格点位置iCa钙离子在间隙位置，带两个有效正电荷15．写出CaCl2溶解在KCl中各种可能的缺陷反应式3种可能性：•Ca2+取代K+，Cl-进入Cl-晶格位置：Cl'KKKCl22ClVCaCaCl•Ca2+取代K+，Cl-进入间隙位置：'iClKKCl2ClClCaCaCl•Ca2+进入间隙位置，Cl-占据晶格位置：Cl'KiKCl22Cl2VCaCaCl16.说明为什么只有置换型固溶体的两个组份之间才能相互完全溶解，而填隙型固溶体则不能。答：置换型固溶体：溶质原子代替一部分溶剂原子占据溶剂晶格某些结点位置所组成的固溶体。间隙型固溶体：溶质原子进入溶剂晶体间隙位置所形成的固溶体。由于溶剂晶体间隙有限，能填入异质原子或离子的数目也有限，因此间隙型固溶体是有限固溶体。19.试求下图中所示方向的密勒指数：-8-方向A：0,1,11,0,11,1,0[110]方向B：0,1,01,0,11,1,1[111]方向C：11111,0,,1,0,1,[121]2222方向D：110,1,1,0,01,1,[221]22方向E：110,0,0,0,1,0,1[102]22方向F：2110,1,1,0,1,1,[331]333方向G：1211,,00,,11,,1[616]236方向H：0,1,00,1,10,0,1[001]20试求下图中所示面的密勒指数A面：在x、y、z上的截距分别为x=0,y=∞,z=∞,故须平移，向x方向移动一晶格参数，此时，x=1,y=∞,z=∞,其倒数：1，0，0，故为A晶面指数为（100）-9-2,2,1,Bxyz面：故为(112)（倒数：1/2，-1/2，1，→互质整数：1，-1，2）31,1,,4Cxyz面：故为(334)（倒数：1，1，-4/3，→互质整数：3，3，-4）11,,,3Dxyz面：故为(130)（倒数：1，3，0，→互质整数：1，3，0）0,0,,1,1,,Exyzxxyz面：故须平移，朝方向移动一晶格参数故为(110)10,0,,211,1,,2Fxyzyxyz面：故须平移，朝方向移动负一晶格参数故为(112)