材料科学基础(武汉理工大学,张联盟版)课后习题及答案

第二章答案

2-1略。

2-2（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求该晶面的晶面指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的晶面指数。

答：（1）h:k:l==3:2:1,∴该晶面的晶面指数为（321）；

（2）h:k:l=3:2:1，∴该晶面的晶面指数为（321）。

2-3在立方晶系晶胞中画出下列晶面指数和晶向指数：（001）与[（（答：

）与[111]，（），[110]，[

）与[236]，（257）与[]，[

]

]，（123）与[

]，（111）与[]，（102），（

]，），

2-4定性描述晶体结构的参量有哪些？定量描述晶体结构的参量又有哪些？ 答：定性：对称轴、对称中心、晶系、点阵。定量：晶胞参数。

2-5依据结合力的本质不同，晶体中的键合作用分为哪几类？其特点是什么？

答：晶体中的键合作用可分为离子键、共价键、金属键、范德华键和氢键。

离子键的特点是没有方向性和饱和性，结合力很大。共价键的特点是具有方向性和饱和性，结合力也很大。金属键是没有方向性和饱和性的的共价键，结合力是离子间的静电库仑力。范德华键是通过分子力而产生的键合，分子力很弱。氢键是两个电负性较大的原子相结合形成的键，具有饱和性。 2-6等径球最紧密堆积的空隙有哪两种？一个球的周围有多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？

答：等径球最紧密堆积有六方和面心立方紧密堆积两种，一个球的周围有8个四面体空隙、6个八面体空隙。

2-7n个等径球作最紧密堆积时可形成多少个四面体空隙、多少个八面体空隙？不等径球是如何进行堆积的？

答：n个等径球作最紧密堆积时可形成n个八面体空隙、2n个四面体空隙。

不等径球体进行紧密堆积时，可以看成由大球按等径球体紧密堆积后，小球按其大小分别填充到其空隙中，稍大的小球填充八面体空隙，稍小的小球填充四面体空隙，形成不等径球体紧密堆积。 2-8写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。

答：面心立方格子的单位平行六面体上所有结点为：（000）、（001）（100）（101）（110）

（010）（011）（111）（

0）（

）（0）（

1）（1

）（1）。

2-9计算面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。

答：：面心：原子数4，配位数6，堆积密度

六方：原子数6，配位数6，堆积密度

2-10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？

答：最紧密堆积原理是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。另外，金刚石的单键个数为4，即每个原子周围有4个单键（或原子），由四面体以共顶方式共价结合形成三维空间结构，所以，虽然金刚石结构的空间利用率很低（只有34.01％），但是它也很稳定。

2-11证明等径圆球六方最密堆积的空隙率为25.9％。

答：设球半径为a，则球的体积为方体晶胞体积：(2a)=16=1-74.1%=25.9%。

3

3

，球的z=4，则球的总体积（晶胞），立

a，空间利用率=球所占体积/空间体积=74.1%，空隙率

2-12金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为1.74g/cm，求它的晶胞体积。 答：设晶胞的体积为V,相对原子质量为M,

则晶胞体积

3

nm

2-13根据半径比关系，说明下列离子与O配位时的配位数各是多少？已知rO＝0.132nm，rSi4＋＝0.039nm，rK＋＝0.131nm，rAl3＋＝0.057nm，rMg2＋＝0.078nm。

2—

2－

3

答：对于Si、K、Al、Mg来说，其

4++3+2+

依次是0.295、0.99、0.43、0.59；依据正离子配

4+

+

3+

2+

位数与正负离子半径比的关系知配位数为：Si4；K8；Al6；Mg6。

2-14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？ 答：石英同一系列之间的转变是位移性转变，不涉及晶体结构中键的破裂和重建，仅是键长、键角的调整、需要能量较低，且转变迅速可逆；而不同系列之间的转变属于重建性转变，都涉及到旧键的破裂和新键的重建，因而需要较的能量，且转变速度缓慢；所以石英不同系列之间的转化温度比同系列变体之间转化的温度要高的多。

2-15有效离子半径可通过晶体结构测定算出。在下面NaCl型结构晶体中，测得MgS和MnS的晶胞参数均为a＝0.520nm（在这两种结构中，阴离子是相互接触的）。若CaS（a＝0.567nm）、CaO（a＝0.480nm）和MgO（a＝0.420nm）为一般阳离子－阴离子接触，试求这些晶体中各离子的半径。

答：MgS中a=0.502nm，阴离子相互接触，a=2r-，∴rS=0.177nm；CaS中a=0.567nm，阴－阳离子相互接触，a=2(r++r-)，∴rCa2+=0.107nm；CaO中a=0.408nm，a=2(r++r-)，∴rO2-=0.097nm；MgO中a=0.420nm，a=2(r++r-)，∴rMg2+=0.113nm。

2-16氟化锂（LiF）为NaCl型结构，测得其密度为2.6g/cm，根据此数据计算晶胞参数，并将此值与你从离子半径计算得到数值进行比较。

答：设晶胞的体积为V,相对原子质量为M,对于NaCl型结构来说，其n=4,

则晶胞体积

32-

nm

3

则晶胞参数：

,

根据离子半径计算：a=2(r++r-)=4.14nm∴

2－

＋

<a

2-17Li2O的结构是O作面心立方堆积，Li占据所有四面体空隙位置，氧离子半径为0.132nm。求：（1）计算负离子彼此接触时，四面体空隙所能容纳的最大阳离子半径，并

＋2－

与书末附表Li半径比较，说明此时O能否互相接触；（2）根据离子半径数据求晶胞参数；（3）求Li2O的密度。

解：根据上图GO=FO=rmax，AB=BC=AC=AD=BD=CD=2

由几何关系知：

比Li的离子半径rLi+=0.078nm小，所以此时O不能互相接触。

+

2-

=0.054nm

晶胞参数=0.373nm

Li2O的密度g/cm

3

2-18MgO和CaO同属NaCl型结构，而它们与水作用时则CaO要比MgO活泼，试解释之。 解：因为rMg与rCa不同，rCa2+>rMg2+，使CaO结构较MgO疏松，H2O易于进入，所以活泼。 2-19CaF2的晶胞参数为0.547nm。（1）根据CaF2晶胞立体图画出CaF2晶胞在（001）面上的投影图；（2）画出CaF2（110）面上的离子排列简图；（3）正负离子半径之和为多少？ 解（1）

2+

2+

CaF2晶胞在（001）面上的投影图

（2）

CaF2（110）面上的离子排列简图

（3）正负离子半径之和

2-20计算CdI2晶体中的I及CaTiO3晶体中O的电价是否饱和？

解：CdI2晶体中Cd的配位数CN=6，I与三个在同一边的Cd相连，且I的配位数CN=3

2+

-2+

-－

2－

所以

2+

，即I电价饱和

4+

2-

-

CaTiO3晶体中，Ca的配位数CN=12，Ti的配位数CN=6，O的配位数CN=6

所以

2－

，即O电价饱和。

2-

2-21（1）画出O作面心立方堆积时，各四面体空隙和八面体空隙的所在位置（以一个晶

2－

胞为结构基元表示出来）；（2）计算四面体空隙数、八而休空隙数与O数之比 解（1）略

（2）四面体空隙数与O数之比为2:1，八面体空隙数与O数之比为1:1