无机材料科学基础实验指导.docx
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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ABCABC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（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、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）β-ZnS（闪锌矿）型结构模型
（6）α-ZnS（纤锌矿）型结构模型
（7）CaF2（萤石）型结构模型
（8）TiO2（金红石）型结构模型
（9）CdI2（碘化镉）型结构模型
（10）α-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、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）、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（3～４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：
ξ＝4π.η.μ.L/D.E×3002式中：
ξ——动电位（伏）
η——水的粘度（泊）
μ——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81
E——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。
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，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（η）
温度T（℃）
粘度（η）
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
1.3077
1.2713
1.2363
1.2028
1.1709
1.1404
1.1111
1.0828
1.0559
1.0299
1.0050
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
1.0050
0.9810
0.9579
0.9350
0.9142
0.8973
0.8737
0.8545
0.8360
0.8180
0.8007
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，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：
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0.4～0.5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）
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。
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℃。
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。
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
碳酸钡、石英砂粒度：
过4900孔筛
BaCO3:
SiO2=1:
1（摩尔比）
试样中：
W试=
石英砂重：
WSiO2=
反应温度：
870℃
大气压：
1大气压
水套管水温：
T=
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。
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