无机材料科学基础综合测试2.docx
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无机材料科学基础综合测试2
测试二
一、名词解释(每小题3分,共15分)
1.结构弛豫
2.阳离子交换容量
3.本征扩散
4.非均态成核
5.二次再结晶
二、填空(每小题2分,共20分)
1.常用的相平衡实验研究方法有__________、_________和__________三种。
2.化合物TiO2-X由于在组成上偏离化学计量而产生的晶格缺陷是________________,缺陷形成反应式为_____________________________,属于_________型非化学计量化合物,应在_________气氛下形成。
3.一种玻动的摩尔组成为24mol%Na2O,12mol%Al2O3,64mol%SiO2,其四个基本结构参数为Z=__________,R=___________,X=___________,Y=_________,非桥氧百分数X%=____________。
4.三种典型离子化合物PbI2、PbF2、CaF2的比表面能分别为130尔格/cm2、900尔格/cm2、2500尔格/cm2,由此可以预计这三种化合物的表面双电层厚度的大小次序为_________________________________。
5.粘土粒子破键引起的荷电与介质的PH值有关,高岭土在酸性介质中边棱带______电荷;在碱性介质中边棱带____电荷。
6.某物质在800°C时扩散系数为10-10cm2/s,在1200°C时为10-4cm2/s,则该物质的扩散活化能为__________________kJ/mol。
7.固液相变时,非均态成核势垒与接触角q有关。
当q角分别为__________、_________和_________时,
(1)非均态成核势垒与均态成核势垒相等;
(2)不存在非均态成核势垒;(3)非均态成核势垒为均态成核势垒的一半。
8.归纳起来,固相反应中相界面上的化学反应通常包括以下三个过程:
____________________________、___________________________和____________________________。
9.烧结是基于粉体颗粒间的_____________,以及在___________作用下的______________而完成致密化过程。
10.少量添加物能促进烧结,其原因有四个:
(1)________________________
(2)_________________________
(3)________________________(4)_________________________
三、选择(每小题2分,共20分)
1.二元系统相图中,液相线平坦,这表明
A.随温度变化,液相量变化小
B.随温度变化,液相量变化大
C.出现液相的温度降低
D.出现液相的温度升高
2.在几个球构成的六方或面心立方最紧密堆积中,存在的八面体空隙数为
A.
个 B.
个 C. n个 D.2n个
3.萤石(CaF2)晶体结构中,所有Ca2+作面立方密堆积,F-填充
A.全部四面体空隙 B.全部八面体空隙
C.
四面体空隙 D.
八面体空隙
4.多种聚合程度不等的负离子团同时并存而不是一种独存,是硅酸盐熔体结构远程无序的实质。
当熔体的组成不变时,熔体中各级聚合体的数量与温度的关系是:
温度升高
A.高聚体的数量多于低聚体的数量 B.高聚体的数量少于低聚体的数量
C.高聚体的数量增加 D.高聚体的数量减少
5.在简单碱金属硅酸盐熔体R2O-SiO2中,正离子R+的含量对熔体的粘度颇具影响。
当R2O含量较高,即
比值较大时,降低粘度的次序为:
K+>Na+>Li+,这是因为
A. K2O引入的游离氧最多,则降低粘度的作用最大
B. [SiO4]连接方式已接近岛状,四面体基本上靠R-O键相连,R+半径越大,R-O键力越弱。
C. 因rLi+ D. [SiO4]间的Si-O键是粘度的主要表征,R+半径越小,对Si-O键的削弱能力越强 6.粘土的许多性能与所吸附的阳离子种类有关。 当粘土吸附不同阳离子后,其性能的变化规律以箭头(大®小)表示的是 A.泥浆的稳定性 B.泥浆的流动性 C.泥浆的滤水性 D.泥浆的ζ电位 7.当液体(L)与固体(S)相接触,固体不被液体所润湿,则两相的表面张力关系应为 A.σSV-σSL<σLV B.σSV-σSL>σLV C.σSV >σSL D.σSV <σSL 8.在不稳定扩散条件下,描述介质中各点作为时间函数的扩散物质聚积过程的 菲克第二定理,其基本数学表达式为 A. B.J= C. D. 9.气体通过玻璃的渗透率随玻璃中以下物质含量的增加而增加 A.网络形成离子 B.网络中间离子 C.网络改变离子 D.杂质离子 10.以体积扩散传质为主的烧结过程,烧结初期线收缩率与时间t的( )次方成正比 A. B. C. D. 四、计算与问答(共45分) 1.(5分)玻璃与金属封接,为什么要预先在金属表面作氧化处理,其作用如何? 2.(5分)在组成为16Na2O·xB2O3·(84-x)SiO2的熔体中,当x<15mol%时,增加B2O3的含量,使粘度增大;当x>15mol%时,增加B2O3的含量,则反而会使粘度降低,请解释原因。 3.(5分)在注浆成型的泥浆中常搭配一些回坯泥(回坯泥中含有少量石膏屑CaSO4),结果使泥浆变稠,为什么? 欲降低泥浆粘度应采取什么措施? 4.(10分)由A向B的液固相变中,单位体积自由焓变化DGV在1000℃时是-100卡/cm3,在900℃时是-500卡/cm3,设A-B间的界面能为500尔格/cm2,求: (1)在900℃和1000℃时的临界半径; (2)在1000℃时进行相变时所需的能量。 5.(10分)由SiO2和Al2O3粉反应生成莫来石的过程是由扩散控制的反应,符合杨德方程,如果活化能为50千卡/mol,反应在1400℃进行1小时,只完成10%,那么1500℃下进行4小时,反应将完成多少? 为加快反应进程可采取哪些有效措施? (气体常数R=1.987卡/mol·k) 6.(10分)如图为ABC三元系统相图,存在两个化合物S1S2, (1)说明化合物S1与S2的性质; (2)划分三角形,判断各三元无变量点E、G、F的性质,并写出相平衡方程;(3)用箭头标出DABC边上及各界线上的温降方向,并判断各界线性质;(4)写出熔体M的固体混合物的的加热过程表达式,并计算液相 成点刚要离开三元无变量点时和相 的百分含量(用线段表示);(5)若熔体组成点在DABC内,最后析晶产物能否同时获得A、B、C,为什么? 答案二 一、名词解释(每小题3分,共15分) 1.同质多晶现象 化学组成相同的物质,在不同的热力学条件下结晶成结构不同的晶体的现象。 2.肖特基缺陷 正常格点上的原子,热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面,在晶体内正常格点上留下空位。 3.结构驰豫 熔体冷却时,熔体内的质点(原子、分子或离子)相应位移重排进行结构调整,以达到对应温度下的平衡状态,并放出能量。 4.阳离子交换容量 表征离子交换能力的指标,用pH=7时l00克干粘土所吸附离子的毫克当量数来表示。 5.稳定扩散 扩散物质的浓度分布只随位置变化,不随时间变化的扩散过程。 二、填空(每小题2分,共20分) 1.根据三元系统相图上等温线分布的疏密可以判断液相面的徒势。 等温线分布越密,说明液相面越 陡 ,则温度变化时,液相量变化越 小 。 2.在O2-作面心立方密堆积的晶体中,为获得稳定结构,正离子将所有八面体空隙均填满的晶体有 MgO ;填满一半四面体空隙的晶体有 BeO (请各举一例)。 它们分别属于 NaCl 和 立方ZnS 型结构。 3.MgAl2O4尖晶石结构中,Mg2+填充 的 四 空隙,Al3+填充 的 八 空隙,单位晶胞内含有 8 个分子。 4.下列硅酸盐晶体矿物: Ca[Al2Si2O8]、KAl2[AlSi3O10](OH)2、Be3Al2[Si6O18]、Ca2Mg5[Si4O11](OH)2分别属于 架状 、 层状 、 六节环 和 双链 结构。 5.某单质晶体的空位形成能为64kJ/mol,在1500°C时的空位浓度为 。 6.在TiO2中引入高价氧化物V2O5形成置换型固溶体,其缺陷反应方程式为 ,固溶体分子式为 。 7.一种玻璃的摩尔组成为24mol%Na2O,12mol%Al2O3,64mol%SiO2,其四个基本结构参数为Z= 4 ,R= 2.14 ,X= 0.27 ,Y= 3.73 。 8.三种典型离子化合物PbI2、PbF2、CaF2的比表面能分别为0.13J/m2、0.90J/m2、2.50J/m2,由此可以预计这三种化合物的表面双电层厚度的大小次序为 PbI2>PbF2>CaF2 。 9.比较下列几种情况扩散系数的大小: (1)同一物质在面心立方结构晶体中 < 在体心立方结构晶体中; (2)同一物质在晶体中 < 在同组成玻璃中; (3)同一物质在淬火玻璃中 > 在退火玻璃中。 10.粘土粒子破键引起的荷电与介质的pH值有关,高岭土在酸性介质中边棱带 正 电荷;在碱性介质中边棱带 负 电荷。 三、选择(每小题2分,共20分) 1.三元系统相图中,若存在n条边界线,则此系统相图中能连接出的连结线数目必是 A.(n-1)条 B.n条 C.(n+1)条 D.数目不定 2.硅砖与高铝砖不能砌筑在一起,其原因是 A. SiO2的熔点比Al2O3的熔点低 B. SiO2中混入少量的Al2O3会导致SiO2的熔点降低 C. 莫来石的液相线比较平坦 D. 莫来石的熔点太低,不能用作耐火材料 3.有M1X,M2X,M3Y三种离子化合物,离子半径分别为rX=0.181nm,rY =0.13nm,rM1=0.095nm,rM2=0.169nm,rM3=0.034nm,这三个化合物正离子配位数大小顺序的排列是 A.M2X>M1X>M3Y B.M1X>M3Y>M2X C.M2X>M3Y>M1X D.M3Y>M2X>M1X 4.钙钛矿(CaTiO3)结构中,正、负离子配位数Ca∶Ti∶O=12∶6∶6,其中与每个O2-配位的正离子为 A.4个Ti4+,2个Ca2+ B.4个Ca2+,2个Ti4+ C.3个Ca2+,3个Ti4+ D.6个Ca2+ 5.在Al2O3中掺入0.5mol%NiO和0.02mol%Cr2O3所制成的金黄色人造黄玉,经分析认为是形成了置换型固溶体,于是此人造黄玉的化学式可写成 A.Al1.9946Ni0.005Cr0.0002O2.9975 B.Al1.9948Ni0.005Cr0.0004O3 C.Al1.9946Ni0.005Cr0.0004O2.9975 D.Al1.9948Ni0.005Cr0.0002O3 6.若有一个变价金属氧化物MO,在还原性气氛下形成缺氧型非化学计量化合物,金属正离子M和氧离子数之比为M: O=1.1∶1,则: 其化学式为 A. MO0.91 B.M1.1O C.MO0.89 D.MO1.1 7.多种聚合程度不等的负离子团同时并存而不是一种独存,是硅酸盐熔体结构远程无序的实质。 当熔体的组成不变时,熔体中各级聚合体的数量与温度的关系是: 温度升高 A.高聚体的数量多于低聚体的数量 B.高聚体的数量少于低聚体的数量 C.高聚体的数量增加 D. 高聚体的数量减少 8.简单碱金属硅酸盐熔体R2O-SiO2中,正离子R+的含量对熔体的粘度颇具影响。 当R2O含量较高,即O/Si比值较大时,降低粘度的次序为: K+>Na+>Li+,这是因为 A. K2O引入的游离氧最多,则降低粘度的作用最大 B. [SiO4]连接方式已接近岛状,四面体基本上靠R-O键相连,R+半径越大,R-O键力越弱 C. 因rLi+ D. [SiO4]间的Si-O键是粘度的主要表征,R+半径越小,对Si-O键削弱能力越强 9.粘土的许多性能与所吸附的阳离子种类有关。 当粘土吸附下列不同阳离子后, H+、Al3+、Ba2+、Sr2+、Ca2+、Mg2+、NH3+、K+、Na+、Li+,其性能的变化规律是以箭头(大®小)表示的是 A.泥浆的稳定性 B.泥浆的流动性 C. 泥浆的滤水性 D.泥浆的ζ电位 10.当液体(L)与固体(S)相接触,固体不被液体所润湿,则两相的表面张力关系应为 A.σSV-σSL<σLV B.σSV-σSL>σLV C.σSV >σSL D.σSV <σSL 11.在不稳定扩散条件下,描述介质中各点作为时间函数的扩散物质聚积过程的菲克第二定律,其基本数学表达式为 A. B.J= C. D. 四、问答与计算(共45分) 1.在组成为16Na2O·xB2O3·(84-x)SiO2的熔体中,当x<15mol%时,增加B2O3的含量,使粘度增大;当x>15mol%时,增加B2O3的含量,则反而会使粘度降低,请解释原因。 (6分) 解: 为“硼反常现象” 2.在注浆成型的泥浆中常搭配一些回坯泥(回坯泥中含有少量石膏屑CaSO4),结果使泥浆变稠,为什么? 欲降低泥浆粘度应采取什么措施? (7分) 解: 有CaSO4存在时,离子交换反应为: 使反应不完全,η↑,泥浆变稠。 欲降低泥浆粘度应加入适量的BaCO3,离子交换反应则为: 即离子交换反应完全,形成流动性好的Na-粘土。 注意: BaCO3过多,形成Ba-粘土,流动性更差; BaCO3过少,不能完全消除SO42-的影响。 3.氧化锂(Li2O)属反萤石结构,其晶格常数a=0.379nm,离子半径rLi+=0.068nm,rO2-=0.134nm, (1)计算Li2O晶体的空间利用率; (2)计算Li2O晶体的密度;(3)若有5mol%SrO溶入Li2O中形成置换型固溶体,计算固溶体的密度(已知: 原子量 Li 6.94 O 16.00 Sr 87.62)(10分) 解: (1)空间利用率= (2)密度= (3) Li2-2xSrxO x=0.05 Li1.9Sr0.05O 则: 密度= 4.MgO与Al2O3固相反应生成MgAl2O4是由扩散控制的加成反应。 (1)反应时什么离子是扩散离子,请写出界面反应方程; (2)若用过量的Al2O3粉包围MgO球形颗粒,在实验温度不变的情况下,3小时内有30%的MgO被反应形成MgAl2O4,计算完全反应所需要的时间。 (3)为加快反应进程可采取哪些有效措施? (10分) 解: (1)Mg2+、Al3+是扩散离子,界面反应方程为: 3Mg2++4Al2O3→3MgAl2O4+2Al3+ 2Al3++4MgO→MgAl2O4+3Mg2+ (2)根据金斯特林格方程: t=3h,G=0.3 得: K=3.88×10-3 当G=1时,t=86h (3)为加快反应进程可采取的有效措施: 1)使反应物粒径细小而均匀; 2)加少量矿化剂; 3)提高反应温度; 4)增加反应物活性,如采用MgCO3、Al(OH)3作为原料,低温煅烧。 5.如图为ABC三元系统相图。 (1)说明化合物D与F的性质; (2)划分三角形,判断各三元无变量点P、Q、R、S的性质,并写出相平衡方程;(3)用箭头标出DABC边上及各界线上的温降方向,并判断各界线性质;(4)写出熔体M析晶过程的相平衡表达式,并计算液相组成点刚达到S点时,各相的百分含量(用线段表示);(5)画出AB、BC二元系统相图,并注明相区;(6)若熔体组成点在DABC内任意点,最后析晶产物能否获得D及F,为什么? (12分) 解: (1)化合物D: 高温稳定、低温分解二元化合物; 化合物F: 低温稳定、高温分解二元不一致熔融化合物。 (2)P: 对应DAFC,单转熔点; R: 对应DAFB,低共熔点; Q: 对应直线BFC,双降点形式过渡点; S: 对应直线ADB,双升降点形式过渡点。 (3)转溶线: PQ、e2S。 (4)析晶路线如图所示,析晶过程表达式为: 液相组成点刚达到S点时,各相的百分含量为: 液相L%=bM/bS×100%; 固相A%=SM/bS×bD/AD×100%; 固相D%=bM/bS×Ab/AD×100%。 (5)如图所示。 (6)若熔体组成点在DABC内任意点,最后析晶产物能得到F,不能得到D,因为没有以D为顶点的副三角形。
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