第三章答案 武汉理工大学 陆佩文 课后答案.doc

第三章答案3-1 略。3-2试简述硅酸盐熔体聚合物结构形成的过程和结构特点。解：聚合物的形成是以硅氧四面体为基础单位，组成大小不同的聚合体。可分为三个阶段： 初期：石英的分化，架状SiO4断裂，在熔体中形成了各种聚合程度的聚合物。中期：缩聚并伴随变形一般链状聚合物易发生围绕Si-O轴转动同时弯曲，层状聚合物使层本身发生褶皱、翘曲、架状聚合物热缺陷增多，同时Si-O-Si键角发生变化。SiO4Na4+Si2O7Na6 Si3O10Na8+ Na2（短键）3Si3O10Na8 Si6O18Na12+2 Na2O （六节环）后期：在一定时间和温度范围内，聚合和解聚达到平衡。缩聚释放的Na2O又能进一步侵蚀石英骨架而使其分化出低聚物，如此循环，直到体系达到分化-缩聚平衡为止。 3-3试用实验方法鉴别晶体SiO2、SiO2玻璃、硅胶和SiO2熔体。它们的结构有什么不同？解：利用X射线检测。晶体SiO2质点在三维空间做有规律的排列，各向异性。SiO2熔体内部结构为架状，近程有序，远程无序。 SiO2玻璃各向同性。硅胶疏松多孔。3-4影响熔体粘度的因素有哪些？试分析一价碱金属氧化物降低硅酸盐熔体粘度的原因。 解：（1）影响熔体粘度的主要因素：温度和熔体的组成。碱性氧化物含量增加，剧烈降低粘度。随温度降低，熔体粘度按指数关系递增。 （2）通常碱金属氧化物（Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O）能降低熔体粘度。这些正离子由于电荷少、半径大、和O2的作用力较小，提供了系统中的“自由氧”而使O/Si比值增加，导致原来硅氧负离子团解聚成较简单的结构单位，因而使活化能减低、粘度变小。3-5 试述石英晶体、石英熔体、Na2O·2SiO2熔体结构和性质上的区别。石英晶体石英熔体Na2O&#8226;2SiO2结构SiO4 按共顶方式对称有规律有序排列，远程有序基本结构单元 SiO4 呈架状结构，远程无序基本结构单元 Si6O1812- 呈六节环或八节环，远程无序性质固体无流动性，熔点高，硬度大，导电性差，结构稳定，化学稳定性好有流动性，大，电导率大，表面张力大有流动性，较石英熔体小，电导率大，表面张力大3-6影响玻璃形成过程中的动力学因素是什么？结晶化学因素是什么？试简要叙述之。解：影响玻璃形成的关键是熔体的冷却速率，熔体是析晶还是形成玻璃与过冷度、粘度、成核速率、晶体生长速率有关。玻璃形成的结晶化学因素有：复合阴离子团大小与排列方式，键强，键型。3-7试计算下列玻璃的结构参数及非桥氧分数。（1）Na2O·SiO2；（2）Na2O·CaO·Al2O3·SiO2；（3）Na2O·1/3Al2O3·SiO2；（4）18Na2O·10CaO·72SiO2 （wt） 解：（1）Z=4，R=3/1=3，X=2R-Z=6-4=2，Y=8-2R=8-6=2 X=X/(X+Y/2)=2/(2+2/2)=66.7 （2） (Na2O+CaO)/ Al2O3>1 Al3+被视为网络形成离子 Z=4 R=(1+1+3+2)/(2+1)=2.33 X=2R-Z=4.66-4=0.66，Y=4-0.66=3.34 X=0.66/(0.66+3.34/2)=28.3（3） Na2O/ Al2O3=3>1 Al3+被视为网络形成离子 Z=4，R=(1+1+2)/(2/3+1)=2.4，X=2R-Z=4.8-4=0.8，Y=4-0.8=3.2X=0.8/(0.8+3.2/2)=33.3（4） Na2O CaO SiO2 wt% 18 10 72 mol 0.290 0.179 1.200 mol% 17.4% 10.7% 71.9% Z=4，R=(17.4+10.7+7109×2)/71.9=2.39，X=2R-Z=0.78，Y=4-0.78=3.22X=0.78/(0.78+3.22/2)=32.63-8有两种玻璃其组成（mol）如下表，试计算玻璃的结构参数，并比较两种玻璃的粘度在高温下何者大？ 序 号 Na2O CaO A12O3 SiO2 B2O3 1 20 10 10 60 0 2 10 0 20 60 10解：1号：Z=4 (Na2O+CaO)/ Al2O3=30/10=3>1 Al3+被视为网络形成离子R1=(20+10 +30+120)/(20+60)=2.25X1=2R-Z=0.5，Y1=4-0.5=3.52号：Z=4， (Na2O+CaO)/ Al2O3=10/20=0.51 Al3+被视为网络变性离子 R2=(20+60 +120+30)/（60+20）=2.75X2=2R-Z=1.5，Y2=4-1.5=2.5 Y1>Y2 高温下1号玻璃的粘度大。3-9有两种不同配比的玻璃其组成（wt）如下，试用玻璃结构参数说明两种玻璃高温下粘度的大小？ 序 号 Na2O A12O3 SiO2 1 8 12 80 2 12 8 80解： 序 号 Na2O A12O3 SiO2 wt% mol% wt% mol% wt% mol% 1 8 8.16 12 7.47 80 84.37 2 12 12.09 8 4.86 80 83.05对于1：Z=4， Na2O/ Al2O3=8.16/7.47>1 Al3+被视为网络形成离子R1=(8.16+7.47×3+84.32×2)/(84.37+7.47×2)=2.007X1=2R-Z=0.014， Y1=4-X=3.986 对于2：Z=4， Na2O/ Al2O3=12.09/4.86>1 Al2O3被视为网络形成离子 R2=(12.09+4.86×3+83.05×2)/(83.05+4.86×2)=2.08X2=2R-Z=0.16， Y2=4-X=3.84 Y1>Y2， 1号在高温下的粘度大。3-10试简述淬火玻璃与退火玻璃在结构与性能上有何差异？解：消除和均衡由温度梯度产生的内应力的玻璃为退火玻璃，这类玻璃不易碎裂且切割方便。淬火处理是将制品加热至接近其软化温度，使玻璃完全退火，然后进行迅速冷却(淬火处理)。因此产生均匀的内应力，从而使玻璃表面产生预加压应力，增加了抗弯、抗冲击的抗扭曲变形的能力。3-11以下三种物质，哪个最容易形成玻璃？哪个最不容易形成玻璃，为什么？（1） Na2O·2SiO2；（2）Na2O ·SiO2；（3）NaCl解：（1）最容易形成玻璃，（3）最不容易形成玻璃。经计算可知R1=2.5，R2=3，Y1=3，Y2=2 Y1>Y2，高温下（1）粘度大，容易形成玻璃，NaCl不具备网络结构，为典型的离子晶体很难形成玻璃。 3-12若将10molNa2O加入到SiO2中去，计算OSi比例是多少？这样一种配比有形成玻璃趋向吗？为什么？解：，这种配比有形成玻璃的趋向，因为此时结构维持三维架状结构，玻璃的粘度还较大，容易形成玻璃。3-13若将50molNa2O加入到SiO2中，计算OSi比例是多少？这种配比能形成玻璃吗？为什么？解：，可以形成玻璃。当加入50mol%Na2O时，连续网状SiO2骨架虽然松弛化，但依然是三维网络结构，可以形成玻璃。3-14在SiO2中加入20B2O3，试计算熔体的OSi比例是多少？解：1.863-15在SiO2中应加入多少Na2O，使玻璃的O/Si2.5，此时析晶能力是增强还是削弱？解：设加入x mol的Na2O，而SiO2的量为y mol。 则O/Si=（x+2y）/ y =2.5 x=y/2 即二者的物质量比为1:2时，O/Si=2.5。 因为O/Si增加了，粘度下降，析晶能力增强了。3-16个别网络改变体（如Na2O）加到石英玻璃中，使氧硅比增加。实验观察到当O/Si2.53时，即达到形成玻璃的极限，根据结构解释为什么2O/Si2.5的碱和硅石混合物可以形成玻璃，而O/Si3的碱和硅灰石混合物结晶而不形成玻璃？解：当O/Si2.53时，Y=23，当2O/Si2.5时，3<Y<4,而当O/Si3时，Y=2。结构参数Y对玻璃性质有重要意义。对于Na2O ·SiO2玻璃，Y越大， 网络连接越紧密，强度越大；反之，Y愈小，网络空间上的聚集也愈小，结构也变得较松，并随之出现较大的空隙，结果使网络改变离子的运动，不论在本身位置振动或从一位置通过网络的网隙跃迁到另一位置都比较容易。因此随着Y值递减，出现膨胀系数增大，电导增加和粘度减小等变化。对于硅酸盐玻璃来说，Y<2时不可能构成三维网络，因为四面体间公有的桥氧数少于2，结构多半是不同长度的四面体链。所以对于O/Si3的碱和硅灰石混合物结晶而不形成玻璃。