无机材料物理化学课后习题及答案

4．答：（A）B的熔点温度只有一个，两点应该重合。（B）液相组成不应该存在范围。（C）低共熔温度不应该是一条倾斜的直线，应该是水平的。（D）（E）均为二元系统，P最大为3，不应该出现四相点和四相区域。

5．答：图略，提示低共熔温度线上三点的B％分别为5％，80％，95％。 6．答：略。

7．答：（1）N为不一致熔融三元化合物。（2）略。（3）L点位于△BNC内部，为

低共熔点，K点位于△ANB交叉位，为双升点，M点位于△ANC内部，为低共熔点。（4）略。

8．答：C3S，C2S，C3A和C12A7四种晶相的含量略，残留液相不能离开F向其它无变量

点转移，因为三元系统最多存在四相，在F点已有四相。

9．答：（1）加热该配合料，1335度开始出现液相。（2）要使物料全部熔融，至少要加热到2570度。（3）略。 10. 答：最终获得C3S，C2S，玻璃相。

第七章 扩散与固相反应 7－1 名词解释：

无序扩散、晶界扩散、表面扩散、本征扩散、非本征扩散、自扩散、互扩散、稳定扩散、不稳定扩散、扩散活化能、扩散通量。

7－2 已知CaO的肖特基缺陷生成能为6ev，欲使Ca2+在CaO中的扩散直至CaO

的熔点（2600

℃）都是非本征扩散，要求三价杂质离子的浓度是多少？

7－3 设有一条内径为30mm的厚壁管道，被厚度为0.1mm的铁膜隔开。通过管子

的一端向

管内输送氮气，以保持膜片一侧氮气浓度为1 200mol/m3，而另一侧的氮气浓度为100

mol/m3。如在700℃下测得通过管道的氮气流量为2.8×10－8mol/s，求此时氮气在铁

中的扩散系数。

7－4在二根金晶体圆棒的端点涂上示踪原子Au，并把棒的两端如图所示连接。 在920℃ 下加热100小时，Au示踪原子的扩散分布如图所示，并满足下列关系：

M为实验中示踪原子总量，求此时金的自扩散系数。

7－5试定性地分析和讨论从室温到熔融温度范围内，氯化锌添加剂(10-4mol％)对氯化纳单晶

中所有离子（Zn、Na、Cl）的扩散能力的影响。

7－6试从扩散介质的结构、性质、晶粒尺寸、扩散物浓度、杂质等方面分析影响扩散的主要因素。

7－7根据ZnS烧结的数据测定了扩散系数，在450℃和563℃时，分别测得扩散系数为1.0 ×10－4cm2/s和3.0×10－4cm2/s。（1）确定激活能和D0；（2）根据你对结构的了解， 试从运动的观点和缺陷的产生来推断激活能的含义；（3）根据ZnS和ZnO相互类似的特点，预测D随硫的分压而变化的关系。

7－8 试分析碳原子在面心立方和体心立方铁八面体空隙间跳跃情况并以D＝λPг形式写出其扩散系数（设点阵常数为a）。式中λ为跃迁自由程，P为跃迁几率，而г为跃迁频率。 7－9指出以下概念中的错误：

（1） 如果固体中不存在扩散流，则说明原子没有扩散；

（2） 因固体原子每次跳动方向是随机的，所以在任何情况下扩散流量为零； （3） 晶界上原子排列混乱，不存在空位，所以以空位机制扩散的原子在晶界处无法

扩散；

（4） 间隙固溶体中溶质浓度较高，则溶质所占据的间隙越多，供扩散的空余间隙越

少，即Z值越小，越容易导致扩散系数的降低。

7－10以空位机制进行扩散时，原子每次跳动一次就相当于空位反向跳动一次，

并未形成新的空位，而扩散活化能中却包含着空位形成能，此说法正确吗？请给出说明。

1. 答：略

2. 答：1.1×10-5mol/m3 3. 答：D=3.6×10-12m2/s 4. 答：根据表中数据,以-ln

,求D为2.33×10－7m2/s

5. 答：低温时,以杂质扩散为主,ZnCl2的加入对Na离子的扩散能力有扩散作用,而对氯离子的扩散能力影响不大,在高温条件下,本征扩散为主要形式, ZnCl2的加入影响可忽略. 6. 略 7. 答：①Q=48.9kJ,D0=0.39cm2/s

②质点处于其他质点作用的三位势阱中作周期性振动,若要摆脱其他质点的束缚,必须具有克服势阱作用的能量,这部分能量称为激活能,激活能包括迁移能和缺陷形成能.

③D∝PS2-1/4,硫分压越小,D越大,硫分压增大,D减小. 8. 答：面心立方(fcc),

=

,P=

,D=

,体心立方(bcc),D=

对x2作图,得一直线,求斜率K,t=360000s,D=

9. 答：①扩散流的产生需要一个推动力,但在宏观上不存在扩散流,只要有一定温度,原子之间存在杂乱无章的自扩散.

②当有外力作用,如处于电场中,扩散流量不为零,只有在平衡状态下,扩散流量为零.

③晶界上原子所受束缚力低,其能量/振动频率搞,迁移能力强,其原子迁移到内部相党羽空位的反向扩散,不仅存在扩散,其扩散能力还比内部强. ④对扩散系数的影响可以忽略.

10.答：不正确。扩散系数是宏观值不是单个原子跳动机理的简单叠加。

第八章 固相反应

8－1 MgO和SiO2固相反应生成Mg 2SiO4，反应时扩散离子是什么？写出界面反应方程。

8－2 MoO3和CaCO3反应时，反应机理受到CaCO3颗粒大小的影响。当MoO3 ：CaCO3

＝1：1，MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时，反应是扩散控制的；而当CaCO3 ：MoO3＝15：1，r2＜0.03时，反应由升华控制，试解释这种现象。

8－3 试比较杨德方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。

8－4当测量氧化铝－水化物的分解速率时，发现在等温试验期间，质量损失随

时间线性增加到50％左右，超过50％时，质量损失的速率就小于线性规律。线性等温速率随温度指数地增加，温度从451℃增大到493℃时速率增大10倍，试计算激活能，并说明这是一个扩散控制的反应？还是一般反应或是界面控制的反应。

8－5 平均粒径为1μm的MgO粉料与Al2O3粉料以1：1摩尔比配料并均匀混合。

将原料在1300℃恒温3600h后，有0.3mol的粉料发生反应生成Mg Al2O4，该固相反应为扩散控制的反应。试求在300h后，反应完成的摩尔分数以及反应全部完成所需的时间。

答：扩散离子是Mg2+和Si4+，界面反应方程为：

Si4+＋4MgO

g 2+＋SiO4 Mg2SiO4+Si4+ Mg2SiO4+2 Mg2+

2．答：当MoO3的粒径r1为0.036mm，CaCO3的粒径r2为0.13mm时, CaCO3颗粒大于MoO3，反应由扩散控制，反应速率随着CaCO3颗粒度减小而加速，当r2

4．答：1）：． 由阿累尼乌斯公式： K=Aexp(-Q/RT)得：

Q=R In k2/k1 (T1T2/T2-T1)=In10 *R*776*724/(493-451)=257.189KJ/mol 故反应激活能为257.189kJ/mol

2）：此反应为热分解反应，反应是在反应物与产物层的界面处进行的。由题中

所述，反应进行到一定程度后质量损失速率小于线性规律，由此可推测该

反应由扩散控制，即后期由于反应物表层已被先前生成的大量产物层所包裹，导致新产生的气体无法扩散到外界去，从而减缓反应进行。 5.答：由于该固相反应为扩散控制反应，且粉料可视为均状大小球形，故用金斯

特林格方程得： 1－2/3G－（1－G）2/3 =kt

由题中所给条件；t1=3600h G1=0.3/(1+1)=0.15 代入得K=7.45×10-7 所以当 t2=300h时，G2=0。045 令 G=1，则T=1/3k=4.47×105 h

第九章 相 变 9－1 名词解释：

一级相变、二级相变、玻璃析晶、玻璃分相、均态成核、非均态成核、马

氏体相变、亚稳分解、不稳分解。

9－2 为什么成核生长机理的相变过程需要有一定的过冷或过热，相变才能发生，

在什么情况下需要过冷，什么情况下需要过热？一般物质具有的最大成核速率的过冷度应该如何求得？

9－3 当一个球形晶核在液态中形成时，其自由能的变化△G＝4πr2γ＋

4/3

r3△GV。式中r为球形晶核的半径；γ为液态中晶核的表面能；△GV为单位体积晶核形成时释放的体积自由能，求临界半径rk和临界核化自由能△Gk。

8－4如果液态中形成一个边长为a的立方体晶核时，其自由能△G将写出什么形

式？求出此时晶核的临界立方体边长ak和临界核化自由能△Gk，并比较球状晶核时，哪一种形状的△G值更大，为什么？

9－5由A向B转变的相变过程中，单位体积能变化△GV在1000℃时为－419J/cm3，

在900℃时为－2093J/cm3，设A-B间界面能为5×10－5J/ cm3,求：

（1） 在900℃和1000℃时的临界半径； （2） 在1000℃进行相变时所需的能量。

π

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