相结构部分习题答案2

相结构部分习及 1.比较石墨和金刚石的晶体结构、结合键和性能。 答：金刚石晶体结构为碳原子位于FCC点阵的节点和四个不相邻的四面体间隙位置(见1-6题答案)，碳原子之间都由共价键结合，因此金刚石硬度高，结构致密。石墨晶体结构为简单六方点阵，碳原子位于点阵结点上，同层之间由共价键结合，邻层之间由范德华力结合，因此石墨组织稀松，有一定的导电性，常用作润滑剂。 2.为什么元素的性质随原子序数周期性的变化？短周期元素和长周期元素的变化有何不同？原因何在？ 答：因为元素的性质主要由外层价电子数目决定，而价电子数目是随原子序数周期性变化的，所以反映出元素性质的周期性变化。长周期元素性质的变化较为连续、逐渐过渡，而短周期元素性质差别较大，这是因为长周期过渡族元素的亚层电子数对元素性质也有影响造成的。 3.讨论各类固体中原子半径的意义及其影响因素，并举例说明。 答：对于金属和共价晶体，原子半径定义为同种元素的晶体中最近邻原子核之间距离之半。共价晶体中原子间结合键是单键、双键或三键将会影响原子半径，所以一般使用数值最大的单键原子半径r(1)；金属晶体中，配位数会影响原子半径，例如α-Fe (CN=8)比γ-Fe (CN=12)的原子半径小3％，一般采用CN=12的原子半径。 对于非金属的分子晶体，同时存在两个原子半径：一是共价半径，另一是范德华原子半径(相邻分子间距离之半)。例如氯分子晶体中，两半径分别为0.099nm和0.180nm。 对于离子晶体，用离子半径r+、r－示正、负离子尺寸。在假设同一离子在不同离子晶体中有相同半径的情况下，可以大致确定离子半径。但离子半径只是一个近似的概念，电子不可能完全脱离正离子，因此许多离子键或多或少带有共价键的成分，当这种特点较为突出时，离子半径的意义就不确切了。 4.解释下列术语： 合金——由金属和其它一种或多种元素通过化学键结合而成的材料。 组元——组成合金的每种元素(金属、非金属)。 相——合金内部具有相同的(或连续变化的)成分、结构和性能的部分或区域。 组织——一定外界条件下，组成一定成分的合金的若干种不同的相的总体。 固溶体——溶质和溶剂的原子占据了一个共同的布拉维点阵，且此点阵类型与溶剂点阵类型相同；组元的含量可在一定范围内改变而不会导致点阵类型的改变。具有以上两性质的金属或非金属合成物就叫做固溶体。 金属间化合物——金属与金属、或金属与类金属之间形成的化合物。 超结构(超点阵)——有序固溶体中的各组元分点阵组成的复杂点阵。 分点阵(次点阵)——有序固溶体中各组元原子分别占据的各自的布拉维点阵。 负电性——表示元素在和其它元素形成化合物或固溶体时吸引电子的能力的参量。 电子浓度——合金中每个原子的平均价电子数。 5.有序合金的原子排列有何特点？这种排列和结合键有什么关系？为什么许多有序合金在高温下变成无序？从理论上如何确定有序－无序转变的温度(居里温度)？ 答：有序合金中各组元原子占据各自的布拉维点阵，整个合金就是这些分点阵组成的超点阵。这种排列是由原子间金属键造成的，是价电子集体将原子规则排列。高温下由于原子的热运动加剧，到一定程度就会摆脱原来的结点位置，造成原子排列的无序性。理论上可以利用金属键的强度与分子平均自由能的大小关系确定有序合金的转变温度。 6.试将P59页图2-4中的两种有序合金结构分解为次点阵(指出次点阵的数量和类型)。 答：(a) 四个次点阵，简单立方点阵。CuAu中Cu、Au各两个。 (b) 四个次点阵，简单立方点阵。Cu3Au中的Au一个，Cu三个。 (c) 两个次点阵，简单立方点阵。CuZn中的Cu、Zn各一个，或FeAl中的Fe、Al各一个。 (d) CuAu长周期结构中，以之间为界，左半部分有四个次点阵，简单立方点阵，Cu、Au各二个；右半部分与左半部分结构翻转。 7.为了预计置换式端部（初级）固溶体的固溶度，Hume-Rothery提出了哪些经验规则，并简述说明其实际意义。 答：(1) 形成合金的元素原子半径之差超过14％～15％，则固溶度极为有限； (2) 如果合金组元的负电性相差很大，固溶度就极小； (3) 两元素的固溶度与它们的原子价有关，高价元素在低价元素中的固溶度大于低价元素在高价元素中的固溶度； (4) ⅡB～ⅤB族溶质元素在ⅠB族溶剂元素中的固溶度都相同(e/a=1.36)，与具体的元素种类无关； (5) 两组元只有具有相同的晶体结构才能形成无限(或连续)固溶体。 Hume-Rothery规则虽然只是否定规则，只是定性或半定量的规则，而且后三条都只限于特定情况。但它总结除了合金固溶度的一些规律，帮助预计固溶度的大小，因而对确定合金的性能和热处理行为有很大帮助。 8.叙述有关离子化合物结构的Pauling规则，并用此规则分析金红石的晶体结构。 答：(1) 在正离子周围形成一负离子配位多面体，正负离子之间的距离取决于离子半径之和，而配位数则取决于正负离子半径之比； (2) 正离子给出的价电子数等于负离子得到的价电子数，所以有Z+/CN+ = Z－/CN－； (3) 在一个配位结构中，当配位多面体共用棱、特别是共用面时，其稳定性会降低，而且正离子的电价越高、配位数越低，则上述效应越显著； (4) 在含有一种以上正离子的晶体中，电价大、配位数小的正离子周围的负离子配位多面体力图共顶连接； (5) 晶体中配位多面体的类型力图最少。 对于金红石：(1) 正负离子半径比为0.48，根据课本P104表2-8，可知负离子多面体为八面体，正离子配位数为6；(2) Z+ = 4，Z－ = 2，所以CN－ = CN+?Z－/ Z+ = 6/2 = 3。 9.从以下六个方面总结比较价化合物、电子化合物、间隙相(间隙化合物)等各种金属间化合物。   正常价价化合物 电子化合物 简单间隙化合物 复杂间隙化合物 组成元素 金属元素与A4、A5、A6主族元素 贵金属与B族元素，Ⅷ族(铁族)元素和某些B族元素 的和原子半径较小的非金属元素(H、B、C、N、B等) 原子半径较大的过渡族金属元素（Cr，Mn，Fe，Co等）的碳化物 结构特点 通过电子的转移或共用，形成8电子稳定组态 结构主要由电子浓度决定 通常金属原子排成FCC或HCP结构（有时也排成体心立方或简单六方结构，非金属原子位于四面体或八面体间隙   结合键 离子键、共价键或离子－共价键 主要是金属键 混合型：金属原子之间为金属键，金属与非金属原子键为共价键 混合型：金属原子之间为金属键，金属与非金属原子键为共价键 决定结构的主要因素及理论基础 负电性 电子浓度 组元原子半径比，小于0.59 组元原子半径比，大于0.59 性能特点 非金属性质或半导体性质 明显的金属特性 宽相互固溶范围，有些简单化合物可以互溶。硬而脆，但具有明显的金属性质 有些复杂化合物中的金属原子可以被另一种金属原子所置换。明显的金属性质，很高的熔点、极高的硬度和脆性 典型例子 Mg(S,Se,Te)、MnS、MgS、MnAs Mg2(Si,Ge,Sn,Pb) Mg3(P,As,Sb,Bi) CuZn、Cu5Zn8、CuZn3 Fe4N, Fe2N, W2C,WC，TiH2 M3C型：Fe3C， M23C6型：Cr23C6、（Cr,Fe,W,Mo）23C6， M6C型：Fe4W2C、Fe3W3C M7C3型：Cr7C3           10.简述固溶体的晶体结构（点阵结构、点阵常数）和性能与成分的关系 （1）固溶体的晶体结构与溶剂相同，但点阵常数略有变化，固溶体的点阵常数随成分而连续变化。 对于Mo、W、Ta、Nb等少数相同晶体结构、并能无限互溶的金属相互形成的固溶体，固溶体的点阵常数与成分（原子分数）呈现线性关系，即符合Vegard定律。其他大多数固溶体，即使由具有相同晶体结构、并能无限互溶的金属形成的固溶体，也未必符合Vegard定律，只有对很稀的固溶体，Vegard定律才近似成立，一般会出现上偏离或下偏离的情况。 （2）力学性能与成分的关系。固溶体的强度往往高于各组员，而塑性则较低，这种现象称为固溶强化。强化的程度（或效果）不仅取决于它的成分，还取决于固溶体的类型、结构特点、固溶度、组元原子半径差等一些列因素。间隙式溶质原子的强化效果要比置换式溶质原子更显著。溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶强化越显著。对于某些具有无序-有序转变的中间固溶体来说，有序状态的强度高于状态。 （3）物理性能与成分的关系。固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。例如，Cu-Ni合金（连续固溶体）在0℃的电阻率随含镍量（质量分数）的增加而增加，而且在某一中间浓度时电阻率最大。这是因为溶质原子加入后破坏了纯溶剂中的周期势场，在溶质原子附近电子波受到更强烈的散射。但是如果在某一成分下合金呈有序状态，则电阻率急剧下降。