无机材料科学基础

1、第2章结晶结构一、名词解释晶体：晶体是内部质点在三维空间内周期性重复排列，具有格子构造的固体空间点阵与晶胞：空间点阵是几何点在三维空间内周期性的重复排列晶胞：反应晶体周期性和对称性的最小单元配位数与配位多面体：化合物中中心原子周围的配位原子个数成配位关系的原子或离子连线所构成的几何多面体离子极化：在离子化合物中，正、负离子的电子云分布在对方离子的电场作用下，发生变形的现象同质多晶与类质同晶：同一物质在不同的热力学条件下具有不同的晶体结构化学成分相类似物质的在相同的热力学条件下具有相同的晶体结构正尖晶石与反尖晶石：正尖晶石是指2价阳离子全部填充于四面体空隙中，3价阳离子全部填充于八面体空隙 中。

2、反尖晶石是指2价阳离子全部填充于八面体空隙中，3价阳离子一半填充于八面体空隙 中，一半填充于四面体空隙。二、填空与选择 晶体的基本性质有五种：对称性.异相性.均一性,自限性 和稳定性（最 小内能性）。空间点阵是由在空间作有规律的重复排列。（A原子B离子C几何点。分子）在等大球体的最紧密堆积中有面心立方密堆积和六方密堆积二种排列方式.前 者的堆积方式是 以（111）面进行堆积.后者的堆积方式是 以（001）面进行堆 积。如晶体按立方紧密堆积，单位晶胞中原子的个数为土，八面体空隙数为4,四面 体空隙数为里；如按六方紧密堆积，单位晶胞中原子的个数为鱼，八面体空隙数为 M,四面体空隙数为_1;如按体心

3、立方近似密堆积，单位晶胞中原子的个数为4, 八面体空隙数为_1，四面体空隙数为_史。等径球体最紧密堆积的空隙有两种：四面体空隙和八面体空隙。一个球的周围有 8个四面体空隙、6 个八面体空隙;n个等径球体做最紧密堆积时可形成 2n 个 四面体空隙、n个八面体空隙。不等径球体进行堆积时,大球做最紧密堆积或 近似密堆积,小球填充于空隙中。在离子晶体中，配置于正离子周围的负离子数（即负离子配位数），决定于正、负离 子半径比（r/r_）。若某离子化合物的r+/r_值为0.564，其负离子配位数应是C_。（A 3 B 4 C 6 D 8）7.结构类型Si04共用02-数形状络阴离子Si:0实例岛状0正四面

4、体Si042-1: 4镁橄榄石组群状122双四面体三节环四节环Si 06-7Si 02-9Si40128-2： 71: 31: 3硅钙石2六节环Si601812-1: 3绿宝石链状2单链Si 04-2 61: 3透辉石3双链Si40116-4: 11透闪石层状3平面层Si40104-4: 10高岭土架状4骨架结构Si02A1Si308-1 : 2A1Si0-4石英8.在硅酸盐结构分类中，下列矿物CaA12Si208:CaMgSi206 : B -Ca2Si04 和Mg3Si401o(0H)2,分别属于_架状 ：链状：一岛状:和层状四类。在负离子作立方密堆的晶体中，为获得稳定的晶体结构，正离子将

5、所有八面体空隙位置填满的晶体有NaCl ，所有四面体空隙均填满的晶体有Na2O，填满一半八面体空 隙的晶体有 TiO2，填满一半四面体空隙的晶体有ZnS。在尖晶石（MgAl2O4）型晶体中，02-作面心立方最紧密堆积，Mg2+填入了里；金红石 晶体中，所有02-作稍有变形的六方密堆，Ti4+填充了n（A全部四面体空隙；B全部 八面体空隙；C四面体空隙的半数；D八面体空隙的半数；E四面体空隙的八分之一；F 八面体空隙的八分之一）构成层状硅酸盐的Si205片中的Si4+，通常被一定数量的A13+所取代，为满足鲍林 第二规则（静电价规则），在层状结构中结合有0H）-离子和各种二价正离子或三价正 离子

6、。这种以A13+取代Si4+的现象，称为L（ A同质多晶（同质多象）；B类质同 晶；C有序-无序转化；D同晶置换（同晶取代）12.高岭石与蒙脱石属于层状硅酸盐结构，前者的结构特征是C_,后者的结构特征是业。（A二层型三八面体结构；B三层型三八面体结构；C二层型二八面体结构；D三层型二 八面体结构）滑石&4。10(叫（0H）24 （二层二八）(Si0) Al- (Si0) Al氢键白云母KAl2AlSi3O10(OH(OH4八)（三层二(SiO)Al (SiO)-Mg-(SiO)Al (SiO)K-O键蒙脱石Al2Si4O10OH)8n(H20)（OH）28+1/26=4; Z（Cl）=1+1/

7、442=4; Z=4 四面体数量：8 (1/4, 1/4, 1/4);(1/4, 1/4, 3/4);(1/4, 3/4, 1/4);(1/4, 3/4, 3/4);(3/4, 1/4, 1/4);(3/4, 1/4, 3/4);(3/4, 3/4, 1/4);(3/4, 3/4, 3/4)各有一个四面体空 隙八面体数量：4 (0,0.5,0)组成1个八面体空隙；(0.5, 0, 0)组 成1个八面体空隙；(0,0,0.5)组成1个八面体空隙；(0.5;0.5; 0.5)组成1个八面体空隙六、计算体心立方、0面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、致密度。Z=2CN=83 A 4 R ； A

8、 4 ； 3 RV A A 364g 3 R 3 ； V2 ；n R 3厂 68 %Z=4CN=12* 2 A 4R ； A 4 2 2 RV A A 3162R3；V4R374 %Z=6CN=12顶上面积s 2 R二R 2 R 266 3 R 2cos 30X；X 广 3Gh 2 V 4R 2 -( 2 3 3 R ) 24 3 6 RV /V74_%.A.七、计算立方体配位、八面体配位、四面体配位、三角形配位的临界半径比。wLLL2*3R2(RR )；(f3-1) R R ；(3-1) R /R 0.73222R 2(R R )；(2-1) R R ；(寸2-1) R /R 0.414/、

9、此题参考习题孵25研2R (sii120) (R R )/sin(30)；0.155 R /R八、丁四具有萤石结构，Th4+离子半径为0.100nm。O2-离子半径为0.140nm。试问（a） 实际结构中的Th4+正离子配位数与预计配位数是否一致？（b）结构是否满足鲍林规则？R+/R-=0.4140.732; RTh4+/RO2-=0.714;预计应当为六配位，实际为八配位， 不一致，不满足鲍林第一规则。S=4/8=0.5; ZS=0.5*4=2,满足鲍林规则九、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？最紧密堆积原理是

10、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金刚石结构中配位数为4远低于面心立方密堆积中的12配位数，故空间利用率很低，但是金刚石结构中由于通过共价键并且以共顶的方式进行堆积，故其结构很稳定。十、（a）NaCl属于何种结构？画图说明Na+离子在结构中的位置？ Cl-离子在什么位置？ 正、负离子配位数如何？NaCl属于面心立方结构，Na离子占据面心立方的顶点、面心位置配位数为6Cl离子占据所有的八面体空隙，配位数也为6（b）CsCl属于何种结构？画图说明Cs+离子在结构中的位置？ Cl-离子在什么位置？正

11、、 负离子配位数如何？CsCl属于简单立方结构Cl离子占据立方体顶点配位数为8； Cs离子占据立方体 空隙，配位数也为8十一、图2-1是Na2O的理想晶胞结构示意图，试回答：（a）晶胞分子数是多少；（b） 结构中何种离子做何种密堆积；何种离子填充何种空隙，所占比例是多少；）结构中 各离子的配位数为多少，写出其配位多面体；（d）计算说明O2-的电价是否饱和。（a） ZO=1/8 8+1/2 6=4;ZNa=1 8=8 ； Z=4座* （b） O离子面心立方堆积，Na离子填充于所有的四面体空隙即100% 豪必（c） 4;第。=8匕L（d） S=1/ 4；ZS= （1/4）8=2 电价饱和十二、根据

12、CaTiO3晶胞图（见图2-2）回答下列问题：（a）晶面BCGF、DEG的晶面指数; 晶向DF、HA的晶向指数；（b）结构中各离子的配位数为多少，写出其配位多面体；（c） 晶胞分子数是多少？何种离子添何种空隙，空隙利用率是多少？（d）计算说明O2-的电价 是否饱和。（e）结构中是否存在TiO32-离子，为什么？(010)(111) 111101CNt.=6 (八面体)；CNO=6 (八面体)；CN*=12Z=1； Ti离子填入八面体空隙25%&(4/6)2+(2/12)4=2 ；饱和（e）不存在，因为，不存在，因为是复合氧化合物十三、在萤石晶体中Ca2+半径为0.112nm，F-半径为0.13

13、1nm，（a）求萤石晶体中离孑堆积系数？（b）萤石晶体a = 0.547nm，求萤石的密度？（a）通过计算配位四面体棱长=0.397；正方体棱长为0.56； V=4x 4/3nR，）(b)mM nN0V(b)mM nN0V4卫6.023810233.17g/cm3V0.54710-7 3十四、Al2O3 %iO2如2O和Na2O，l2O3 -SiO2是什么物质？都属于何种硅酸盐结构类型？分别写出无机络盐形式。滑石高岭石白云母蒙脱石MglSI.OjOH),A/I.OMHKAl2AlSI3O10(OH)2入八卜卬湛伽据他。）K正长石Ca 斜长石Na斜长石Ba正长石KAlSI3O8CaAl2SI2O

14、8NaAlSI3O8BaAl2SI2O8AlO电SiO电HO=AlSiOH=Al Si O (OH)；即为高岭石；属于层状硅酸盐结构2 32222 9 444 108NO AlO 6SiO=NaAlSiO6=NaAlSiOl；即为Na长石；属于架状硅酸盐结构 22 32226 163 8卜五、堇青石与绿宝石具有相同的结构，分析其有显著的离子电导，较小的热膨胀系数的原因。绿宝石Be3Al2Si6O18中有电价低，半径小的离子存在时，会表现出显著的离子电导， 由于结构中有较大的空腔，故具有较小的热膨胀系数而堇青石与绿宝石的结构相同，但是由于六节环中硅粒子被铝离子替代因而介电性有明 显的提升十六、什

15、么叫阳离子交换？从结构上说明高岭石、蒙脱石阳离子交换容量差异的原因。滑石&4。10(叫（OH）24八）（二层二(SiO) Al- (SiO) Al氢键白云母KAl2AlSi3O10(OH)2（OH）24八）（三层二(SiO)Al (SiO)-Mg-(SiO)Al (SiO)K-O键蒙脱石林皿小(H20)（OH）24八）（三层二(SiO) Al (SiO) - (SiO) Al (SiO)分子间 力阳离子交换:胶体吸附的阳离子与周围溶液中的阳离子进行等当量代换 高岭石分子之间以氢键相连，结合键较强，不易同晶取代和阳离子交换 蒙脱石分子之间以分子间力相连，结合键较弱，容易发生同晶取代和阳离子交换十七、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？不同系列变体之间重键型转变，而同系列变体之间的转变为位移性转变，所需的能量 较前者低，故前者转化温度比后者转化温度高的多（Ill）晶面的原子排布以及