1、整理无机材料科学基础实验指导无机材料科学基础实验讲义实验一 紧密堆积原理及模型 实验二 晶体结构模型分析 实验三 玻璃的析晶实验四 粘土泥浆动电位的测定实验五 固相反应速度的测定实验一 紧密堆积原理及模型一、实验目的1、掌握紧密堆积原理，弄清各种堆积方式，为学习具体的晶体结构打下基础。2、认识并掌握立方简单堆积，立方紧密堆积，六方紧密堆积中单胞内球的个数，空隙种类、位置以及堆积系数的计算。二、紧密堆积原理原子或离子都有一定的半径，它们在空间成周期性的重复规则排列，而构成晶体结构。因此，从几何角度看，原子或离子之间的相互结合，可以看作是球体的相互堆积。晶体中的原子或离子之间的相互结合要遵循内能最
2、小的原则，要求彼此间的引力和斥力达到平衡。故从球体堆积角度来看，要求球体堆积密度尽可能大，即趋于最紧密堆积。三、球体堆积类型为统一起见，我们以最低层作为第一层，逐层向上堆积。同层球体的结合称为排列。异层球体的结合称为堆积。排列有两种方式，一种为对齐排列，另一种为错位排列（见下图）。在错位排列中，我们假设把球心位置标记为0。此时，每个球与相邻的6个接触，形成6个成弧线三角形的空隙。其中3个空隙的尖角朝下，其中心位置标记为1、3、5；另外3个空隙尖角朝上，其中心位置标记为2、4、6。两种空隙相间分布。对齐排列 错位排列堆积也有两种方式，一种为非嵌入堆积，上层球心位置与下层球心位置重叠。另一种为嵌入
3、堆积，上层球心位置落在下层球心的空隙位置上。1、立方简单堆积立方简单堆积为同层对齐排列，异层非嵌入堆积，见模型1。每个球与同层的4个球，上层下层各1个球接触，即与相邻的6个球接触。这种堆积中具有立方体空隙，8个球堆积成立方体（见模型2）。球体之间形成了这种立方体空隙。立方简单堆积不是最紧密堆积，空隙占总体积的48。2、立方紧密堆积这种堆积有两种排列堆积方式，但结果相同，都是立方紧密堆积。第一种排列堆积方式为同层对齐排列，异层嵌入堆积。可用模型3演示。第一层排好后，第二层的球心位置落在第一层的空隙中，第三层的球心位置落在第二层的空隙中，并与第一层球心位置重叠。如第一层称为A层，第二层称为B，则这
4、种堆积为AB堆积。在这种堆积方式中，每个球与同层的4个球、上层的4个球、下层的4个球，共12个球接触。模型4显示了ABAB堆积的立方面心晶胞。在每一个单位晶胞内，有4个球体，4个八面体空隙和8个四面体空隙。由此可以计算出立方面心最紧密堆积的空间利用率（即在一定空间内圆球所占体积的百分数）为74.05。而空隙占整个空间的25.95。第二种排列堆积方式为同层错位排列。异层嵌入堆积，可用模型5演示。第一层排好后，第二层的球心位置落在第一层的某一空隙（例如空隙1、3、5）中，第三层的球心位置落在第一层的另一种空隙（例如空隙2、4、6）中，第四层的球心位置与第一层的球心位置重叠，这种堆积方式为ABCAB
5、C堆积。在这中堆积中，每个球与同层的6个球、上层的3个球、下层的3个球，共12个球接触。模型6显示了ABCABC堆积的立方面心晶胞。以上两种排列堆积方式都是立方紧密堆积。只要改变观察方面，就能显示出两种排列堆积方式。本立方紧密堆积中有两种类型的空隙。一种是四面体空隙，见模型7。4个球堆积成四面体，形成了四面空隙（4个球的中心联线）。另一种是八面体空隙，见模型8。6个球堆积成为八面体，形成了八面体空隙（6个球的中心联线）。两种立方最紧密堆积方式中的空隙率都是25.95。3、六方紧密堆积六方紧密堆积为同层错位排列，异层嵌入堆积。可用模型9演示。第一层排好后，第二层的球心位置落在第一层的某一种空隙（
6、例如空隙1、3、5或空隙2、4、6）中，第三层球心位置与第一层球心位置重叠，故这种堆积为ABAB堆积。对于每个球来说，它与同层的6个球、上层的3个球、下层的3个球，共12个球接触。模型10显示了一个六方晶胞。六方紧密堆积形成六方格子。在每一个单位晶胞内，有6个球体，可以算出其空间利用率也是74.05，空隙率为25.95。以上为等大球体的紧密堆积，在不等大球体进行堆积时，球体有大有小，可以看作是较大的一种球体按等大球体进行紧密堆积，较小的球体填充在空隙中。在实际的离子晶体结构中，往往是半径较大的负离子作紧密堆积，而正离子则填充于其中的空隙中。但由于正离子一般要比负离子所形成的空隙大，因此通常是正
7、离子把空隙撑大，负离子只能近似地作紧密堆积。思 考 题1、计算立方简单堆积的空隙利用率与空隙率2、模型4与模型3是一种堆积方式吗？二者有何关系？请计算模型4中属于该面心立方晶胞的球的个数及空隙率。找出四面体空隙与八面体空隙所在的位置及属于该单位晶胞的个数。3、观察比较模型5与模型3，它们都是立方面心最紧密堆积，试在其中一个模型中改变观察方向显示出这两种排列堆积方式。4、分别演示模型7、模型8中构成四面体空隙与八面体空隙的各种不同方位（各有三种方位）。5、计算模型10中单位六方晶胞的空间利用率和空隙率。实验二 晶体结构模型分析一、实验目的借助各种晶体结构模型，熟悉各典型晶体和硅酸盐晶体的结构。二
8、、实验模具1、各种典型晶体结构模型 （1）金刚石结构模型 （2）石墨结构模型 （3）NaCI型结构模型 （4）CsCI型结构模型 （5）-ZnS(闪锌矿)型结构模型 （6）- ZnS(纤锌矿)型结构模型 （7）CaF2（萤石）型结构模型 （8）TiO 2 (金红石)型结构模型 （9）CdI2（碘化镉）型结构模型 （10）- AI2O3（刚玉）型结构模型 （11）CaTiO3（钙钛矿）型结构模型 （12）MgAl2O4（尖晶石）型结构模型2、硅酸盐晶体结构模型 （1）岛状结构模型（镁橄榄石） （2）组群状结构模型（绿宝石） （3）链状结构模型（透辉石） （4）层状结构模型（高岭石结构、蒙脱石结构
9、、伊利石结构） （5）架状结构模型（石英晶体结构、长石晶体结构）三、实验过程及要求：1、利用典型晶体结构模型，指出某种晶体结构模型所属晶系，一个晶胞所含离子数目，负离子堆积方式，正负离子的配位数，正离子占据的空隙位置，结构类型。分别用坐标法、球体密堆积法、配位多面体及其连接方式法、投影法来描述某一具体的晶体结构。2、利用硅酸盐晶体模型，指出结构类型，SiO4共用O2-数，SiO4连接形状，络阴离子式，Si/O比，写出某一具体硅酸盐晶体的结构式，熟悉硅酸盐晶体结构特点以及结构与性质的关系。对不同类型的晶体结构进行比较，指出其异同点。实验三 玻璃的析晶一、实验目的1、了解玻璃的析晶性能。2、测定玻
10、璃的析晶温度范围、镜下观察析晶产物。二、实验原理一般认为玻璃是过冷的液体。即玻璃熔体过冷后仍保持着远程无序结构。从热力学观点，玻璃态物质的内能高于晶态物质，处于介稳状态，总有向晶态转变的趋势；从动力学观点，析晶过程必须克服一定的能垒。由于常温下玻璃的粘度很大，由玻璃态转变为晶态的速度是很小的。但是我们如果把玻璃加热到某一温度范围，并维持相当时间，即满足动力学上的转化条件，则玻璃中的质点也能作有序排列，产生结晶作用。玻璃析晶对硅酸盐工业有很大意义，它的析晶能力与其化学成分、温度、保温时间都有关系。按照玻璃的组成不同，析出的晶体也不同，一般工业玻璃中析出的产物为失透石（Na2O.CaO.6SiO2
11、）、方石英、磷石英等。测定玻璃析晶的方法，一般有强迫析晶法和淬冷法。本实验采取强迫析晶法。即将玻璃放在小瓷舟中，在梯温炉内加热，在一定温度下保温一定时间后取出急冷，镜下观察结晶程度和结晶温度范围。三、实验仪器1、卧式管状电炉 2、温度控制器3、热电偶 4、磁舟5、偏光显微镜四、实验步骤1、试样放置。先将瓷舟表面刷净，撒一层氧化铝（AI2O3）粉，再将试样（3块）均匀地放在瓷舟内，然后把瓷舟轻轻推入炉中至一定位置。2、接通电源，使梯温炉升温到中心温度为760，保温半小时。3、温度曲线的标定。在试样保温时，将梯温炉作一次测定，以求得炉中沿长度分布的温度曲线，并确定整个瓷舟所在位置的温度范围。4、关
12、闭电源，取出样品在空气中冷却（或在炉中冷却至室温），然后在偏光显微镜下观察析晶情况。五、注意事项1、向炉中放瓷舟时，瓷舟头应朝向热电偶，但不能与热电偶接触。2、梯温炉的温度标定结束后，从炉中取出的热电偶不能直接放在实验台上，等降温后再放到适当的位置。3、从炉中取出的瓷舟应放到指定的地点，实验完毕将瓷舟交回。实验四 粘土泥浆动电位的测定一、实验目的1、掌握粘土泥浆动电位的测定方法2、进一步了解粘土水系统的电动性质。二、实验原理粘土泥浆是粘土与水组成的胶体系统。由于种种原因，粘土颗粒带电，并形成粘土胶团结构。粘土颗粒本身为胶核，胶核与吸附层构成粘土胶粒；胶粒与扩散层构成粘土胶团（如下图所示）。粘土
13、胶粒与扩散层带有相反电荷，相对移动时存在的电位差称为动电位。在外加电场作用下，带电的粘土 胶粒向电极移动，这就是电泳现象。粘土胶粒的电泳速度与动电位的大小有关。因此，可以根据测定的胶粒移动速度，通过计算，求出动电位。公式： 4. L/ D.E 3002式中： 动电位（伏） 水的粘度（泊） 电泳速度（厘米/秒）L两电极导电距离（厘米）D介电常数、水的介电常数为 粘土胶团结构示意图 81E外加电压（伏）测定粘土胶粒电泳速度基本上有两种方法。一种是宏观法，即界面移动法，用肉眼观察粘土泥浆的界面移动情况。另一种是微观法，即胶粒移动法，借助于微机上的显示屏，观察单个胶粒的移动情况。本实验采取界面移动法。
14、三、实验仪器1、722B型电泳仪 2、213型铂电极3、U型电泳管（带有刻度） 4、温度计5、刻度尺 6、秒表 实验装置图四、实验步骤1、将制备好的泥浆用玻璃棒搅拌均匀2、打开电泳管活塞倒入约30ml泥浆，稍微晃动一下，然后关闭活塞倒掉多余泥浆，并清洗管壁。3、注入蒸馏水（作为介质）至U型管9cm刻度处，两管保持水平，固定在铁架台上。4、将电极插入U型管介质中，电极要放正，两极在同一水平面上。5、接好电路，打开电泳管活塞。6、接通电源，一分钟后将电压粗调、细调至250伏。7、通电约5分钟开始记录界面移动数据，每2分钟记录一次，约记10分钟；取平匀值为电泳速度。8、将电压粗调至零，关闭电源开关，
15、测量介质水温T，测量两极距离（注意是U型导电距离）。9、实验完毕后，清洗电泳管与铂电极，并将铂电极浸泡在蒸馏水中。五、实验结果处理根据实验数据计算动电位。并根据胶粒移动方向确定动电位的正负。六、附表不同温度下水的粘镀温度T（）粘度（）温度T（）粘度（）10111213141516171819201.30771.27131.23631.20281.17091.14041.11111.08281.05591.02991.005020212223242526272829301.00500.98100.95790.93500.91420.89730.87370.85450.83600.81800.80
16、07实验五 固相反应速度的测定一、实验目的1.掌握固相反应的测定原理与方法2.测定BaCO3与SiO2进行固相反应时的固相反应速度常数二、实验原理固态物质中的质点（分子、原子或离子）不断地进行着震动。随着温度的升高，震动逐渐加强。当达到一定温度时，其中的某些质点便具有足够的能量，以致可以跳离原来的位置，与周围的其它质点发生“换位”。如果是一种固态物质，这标志着烧结的开始。如果是几种固态物质，彼此之间相互接触，即表示固相反应的开始。通常发生“换位”的温度远低于液相出现的温度，由此证明，固相之间确实能够进行反应。 固相反应的类型很多。不同的固相反应，可能有不同的反应机理。甚至同一固相反应的不同阶段
17、，也可能由不同的反应机理所控制。影响固相反应速度的因素，主要有反应物种类、反应温度、反应时间、各反应物的比例、粒度以及相互之间接触的紧密程度等。所有这些都反映出固相反应的复杂性和多样性。 一般的固相反应，往往由扩散速度所控制。同时，反应产物层阻碍扩散的进行。随着反应产物层的增加，固相反应速度逐步减慢。据此推导，可得出杨德尔扩散动力学的方程： 式中：J(G)杨德尔转化率函数 G 转化率 t反应时间 Kj杨德尔扩散速度常数 测定固相反应速度通常由两种方法。一种是失重法，利用热天平测定固相反应过程中的失重，计算出转化率。从而求得固相反应速度常数。此方法灵敏度较差，尤其当试样少，失重小时更难于测定。另
18、一种是量气法。利用量气管测定固相反应过程中生成的气体体积，计算出转化率求得固相反应速度常数。本实验采用量气法。三、仪器与装置1仪器：（1）高温炉；（2）温度控制器；（3）反应器一套；（4）铂金坩埚；（5）悬丝；（6）三通考克；（7）温度计；（8）热电偶；（9）水套管；（10）量气管；（11）水准瓶。2装置图：第五章环境影响评价与安全预评价四、实验步骤 1.试样制备：将化学纯的碳酸钡与SiO299%的石英砂分别在玛瑙研钵中研细，过4900孔筛（180目）。为除去颗粒表面吸附的水和其它气体，并消除研磨时产生的应力，试样必须进行热处理。碳酸钡在CO2气氛中加热至400，保温4小时。石英砂在空气中加热
19、至800，保温2小时。处理后的碳酸钡与石英砂按摩尔比1：1，配好混匀，制成试样，放入干燥器内备用。2.准确称取试样0.40.5克，放入铂金坩埚内，铂金坩埚用悬丝挂在钩上，并放入反应管中。（如图）（6）列出选定的评价方法，并作简单介绍。3.检查实验装置的密封情况，如不漏气，方可进行实验。4.按装置图检查线路，没问题时，接通电源。每名环境影响评价工程师申请登记的类别不得超过2个。5.继续升温直至定温度870，恒温10分钟，记下起始读数，作好准备。以后将悬丝脱开，使铂金坩埚落到反应管中，同时，立即按动秒表记录时间。6.读取气体体积数据时，应将水准瓶与量气管中液面保持同一水平（为什么？）开始每20秒钟
20、记录一次量气管上的读数；一分钟后每分钟记录一次；十分钟后每2分钟一次；二十分钟后每5分钟一次；一小时后每10分钟一次，至80分钟，停止读数记录。并关闭电源。7.整个实验中应严格控制温度，波动范围小于5。正确答案B五、结果处理1.根据实验时测得的大气压和水温，将气体体积折算为标准状况下的气体体积。根据标准气体体积算出二氧化硅的转化率，根据二氧化硅的转化率算出反应的J(G)值。1.规划环境影响评价的技术依据2.以时间为横坐标，J(G)为纵坐标，标绘作图。3.根据曲线斜率，计算出给定温度下的固相反应速度常数Kj。六、记录表规划审批机关在审批专项规划草案时，应当将环境影响报告书结论以及审查意见作为决策
21、的重要依据。碳酸钡、石英砂粒度：过4900孔筛BaCO3:SiO2=1:1（摩尔比）规划环境影响的跟踪评价应当包括下列内容：试样中：W试=例题-2006年真题下列关于建设项目环境影响评价实行分类管理的表述，正确的是（）石英砂重：WSiO2=反应温度：870大气压：1大气压对于安全预评价的内容，要注意安全预评价的目的、时间，安全预评价报告的内容等知识点。水套管水温：T=大纲要求反应时间（分）气体体积（升）标准气体体积 化学反应方程式：BaCO3+SiO2=BaSiO3+CO2 思考题1、整个装置为什么必须不漏气？如果漏气，对结果有何影响？2、影响固相反应速度的因素有哪些？为什吗？固相反应设计性试验提供碳酸钠、氧化锌、氧化铝、二氧化硅等原料，让学生自行设计某一固相反应，然后进行固相反应速度的测定。
