第四章习题解答3/150、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?解答:利用X-射线粉末衍射检测。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。7/151、SiO2 熔体的粘度在1000℃时为1014 Pa·s,在1400℃时为107 Pa·s。SiO2 玻璃粘滞流动的活化能是多少?上述数据为恒压下取得,若在恒容下获得,你认为活化能会改变吗?为什么?解答:(1)根据公式:1000℃时,η=1014 Pa·s,T=1000+273=1273K, (1)1400℃时,η=107 Pa·s,T=1400+273=1673K, (2)联立(1)和(2)式解得:η = 5.27×10-16 Pa·s,△E = 713.5 kJ/mol(2)若在在恒容下获得,活化能不会改变。因为活化能是液体质点作直线运动所必需的能量。它与熔体组成和熔体[SiO4]聚合程度有关。12/151、一种用于密封照明灯的硼硅酸盐玻璃,它的退火点是544℃,软化点是780℃。求:(1)这种玻璃粘性流动的活化能;(2)它的工作范围;(3)它的熔融范围。解答:(1)根据公式:退火点544℃, η=1012Pa·s,T=544+273=817K, (1)软化点为780℃,η=4.5×106 Pa·s,T=780+273=1053K, (2)联立(1)和(2)式解得:η = 1.39×10-12 Pa·s,△E = 373.13 kJ/mol。(2)工作温度范围粘度一般为103~107Pa.s根据公式:当η=103 Pa·s 时,T=373.13×1000/8.314×Ln(103/1.39×10-12)=1311.9K= 1038.9℃当η=107 Pa·s 时,T=373.13×1000/8.314×In(107/1.39×10-12)=1033.6K= 760.6℃所以工作温度范围是:1038.9℃~760.6℃。(3)熔融范围粘度一般是10~100 Pa.s当η=10 Pa·s 时,T=1516.0K= 1243.0℃当η=100 Pa·s 时,T=1406.6K= 1133.6℃所以熔融温度范围是1243.0℃~1133.6℃。15/151、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%)。解答:(1)Z=4,R=3/1=3,X=2R-Z=6-4=2,Y=8-2R=8-6=2;非桥氧%= = 2/(1+2)×100% = 66.7%。(2)因 (Na2O+CaO)/Al2O3 = 2 > 1,所以 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;非桥氧%= = 0.66/(1.67+0.66)×100% = 28.3%。(2)因 Na2O/Al2O3 = 3 > 1,所以 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=3.2,非桥氧%= = 0.8/(1.6+0.8)×100% = 33.3%。(4)质量百分比转化为摩尔百分比:Na2O CaO SiO2wt% 18 10 72mol 0.290 0.179 1.200mol% 17.4% 10.7% %Z=4,R=(17.4+10.7+71.9×2)/71.9=2.39,X=2R-Z=0.78,Y=4-0.78=3.22非桥氧%= = 0.78/(1.61+0.78)×100% = 32.6%。21/151、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。
第四章习题解答
3/150、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?
解答:利用X-射线粉末衍射检测。
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。
7/151、SiO2 熔体的粘度在1000℃时为1014 Pa·s,在1400℃时为107 Pa·s。SiO2 玻璃粘滞流动的活化能是多少?上述数据为恒压下取得,若在恒容下获得,你认为活化能会改变吗?为什么?
解答:(1)根据公式:
1000℃时,η=1014 Pa·s,T=1000+273=1273K,
(1)
1400℃时,η=107 Pa·s,T=1400+273=1673K,
(2)
联立(1)和(2)式解得:η = 5.27×10-16 Pa·s,△E = 713.5 kJ/mol
(2)若在在恒容下获得,活化能不会改变。因为活化能是液体质点作直线运动所必需的能量。它与熔体组成和熔体[SiO4]聚合程度有关。
12/151、一种用于密封照明灯的硼硅酸盐玻璃,它的退火点是544℃,软化点是780℃。求:(1)这种玻璃粘性流动的活化能;(2)它的工作范围;(3)它的熔融范围。
解答:(1)根据公式:
退火点544℃, η=1012Pa·s,T=544+273=817K,
(1)
软化点为780℃,η=4.5×106 Pa·s,T=780+273=1053K,
(2)
联立(1)和(2)式解得:η = 1.39×10-12 Pa·s,△E = 373.13 kJ/mol。
(2)工作温度范围粘度一般为103~107Pa.s
根据公式:
当η=103 Pa·s 时,
T=373.13×1000/8.314×Ln(103/1.39×10-12)=1311.9K= 1038.9℃
当η=107 Pa·s 时,
T=373.13×1000/8.314×In(107/1.39×10-12)=1033.6K= 760.6℃
所以工作温度范围是:1038.9℃~760.6℃。
(3)熔融范围粘度一般是10~100 Pa.s
当η=10 Pa·s 时,T=1516.0K= 1243.0℃
当η=100 Pa·s 时,T=1406.6K= 1133.6℃
所以熔融温度范围是1243.0℃~1133.6℃。
15/151、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%)。
解答:(1)Z=4,R=3/1=3,X=2R-Z=6-4=2,Y=8-2R=8-6=2;
非桥氧%= = 2/(1+2)×100% = 66.7%。
(2)因 (Na2O+CaO)/Al2O3 = 2 > 1,所以 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;
非桥氧%= = 0.66/(1.67+0.66)×100% = 28.3%。
(2)因 Na2O/Al2O3 = 3 > 1,所以 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=3.2,
非桥氧%= = 0.8/(1.6+0.8)×100% = 33.3%。
(4)质量百分比转化为摩尔百分比:
Na2O CaO SiO2
wt% 18 10 72
mol 0.290 0.179 1.200
mol% 17.4% 10.7% %
Z=4,R=(17.4+10.7+71.9×2)/71.9=2.39,
X=2R-Z=0.78,Y=4-0.78=3.22
非桥氧%= = 0.78/(1.61+0.78)×100% = 32.6%。
21/151、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。
题目解答
答案
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。
24/150、在100g的SiO2中要加入多少CaO,才能使O:Si 达2.5?
解:设要加入Xg的CaO,MCaO=56g/mol,MSiO2=60g/mol,
则:(X/56+100×2/60)/(100/60)=2.5
解得:X=46.67
2/211、何谓表面张力和表面能?在固态和液态这两者有何差别?
解:表面张力:垂直作用在单位长度线段上的表面紧缩力或将物体表面增大一个单位所需作的功;σ=力/总长度(N/m);表面能:恒温、恒压、恒组成情况下,可逆地增加物系表面积须对物质所做的非体积功称为表面能;J/m=N/m;
液体:不能承受剪应力,外力所做的功表现为表面积的扩展,因为表面张力与表面能数量是相同的;固体:能承受剪切应力,外力的作用表现为表面积的增加和部分的塑性形变,表面张力与表面能不等。
5/211、什么是吸附和粘附?当用焊锡来焊接铜丝时,用挫刀除去表面层,可使焊接更加牢固,请解释这种现象?
解:吸附:固体表面力场与被吸附分子发生的力场相互作用的结果,发生在固体表面上,分物理吸附和化学吸附;
粘附:指两个发生接触的表面之间的吸引,发生在固液界面上;
铜丝放在空气中,其表面层被吸附膜(氧化膜)所覆盖,焊锡焊接铜丝时,只是将吸附膜粘在一起,锡与吸附膜粘附的粘附功小,锉刀除去表面层露出真正铜丝表面(去掉氧化膜),锡与铜相似材料粘附很牢固。
7/211、在20℃及常压下,将半径为102m 的汞分散成半径为10m的小汞滴,求此过程所需作的功是多少?已知20℃时汞的表面张力0.47N/m。
解:此过程所需作的功应等于系统表面能的增加,即
8/211、在2080℃的AlO(L)内有一半径为10m的小气泡,求该气泡所受的附加压力是多大?已知2080℃时AlO(L)的表面张力为0.700N/m。
解:根据公式,可算得△P=2×0.7/10=1.4×108 N。
12/211、试解释粘土结构水和结合水(牢固结合水、松结合水)、自由水的区别,分析后两种水在胶团中的作用范围及其对工艺性能的影响。
解:粘土结构水是粘土结构中的水;由于粘土颗粒一般带负电,因水是极性分子,当粘土颗粒分散于水中时,在粘土表面负电场的作用下,水分子以一定取向分布在粘土颗粒周围以氢键与其表面上的氧和氢氧基结合,负电端向外。在第一层水分子的外围形成一个负电表面,因而又吸引第二层水分子。负电场对水分子的引力作用,随着离开粘土表面距离的增加而减弱,因此水分子的排列也有定向逐渐过渡到混乱。靠近内层形成的定向排列的水分子层称为牢固结合水,围绕在粘土颗粒周围,与粘土颗粒形成一个整体,一起在介质中运动,其厚度约为3-10 个水分子厚。在牢固结合水的外围吸引着一部分定向程度较差的水分子层称为松结合水,由于离开粘土颗粒表面较远,他们之间的结合力较小。在松结合水以外的水叫自由水。结合水的密度大,热容小,界电常数小,冰点低等,在物理性质上与自由水不同。粘土和水结合的数量可以用测量润湿热来判断。
粘土与这三种水结合的状态与数量将会影响粘土-水系统的工艺性能。在粘土含水量一定的情况下,若结合水减少,则自由水就多,此时粘土胶的体积减小,容易移动,因而泥浆粘度小,流动性好;当结合水量多时,水膜厚,利于粘土胶粒间的滑动,则可塑性好。
14/211、粘土的很多性能与吸附阳离子种类有关。指出粘土吸附下
列不同阳离子后的性能变化规律,(以箭头表示:小→大)
H-8 Al Ba Sr Ca Mg NH K Na Li
(l)离子交换能力;(2)粘土的ζ电位;(3)粘土的结合水量;(4)泥浆稳定性;(5)泥浆流动性;(6)泥浆触变性;(7)泥团可塑性;(8)泥浆滤水性;(9)泥浆浇注时间(10)坯体形成速率。
解答:
(l)离子交换能力:Li→Na→K→NH→Mg→Ca→Sr→Ba→Al→H
(2)粘土的ζ电位:H→Li→Na→K→NH→Mg→Ca→Sr→Ba→ Al
(3)粘土的结合水量:NH→Al→Ba→Sr→Ca→Mg→K→Na→Li→H
(4)泥浆稳定性: H＋→Al3＋→Ba2＋→Sr2＋→Ca2＋→Mg2＋→NH4＋→K＋→Na＋→Li＋
(5)泥浆流动性: H→Li→Na→K→Mg→Ca→Sr→Ba→Al→NH
(6)泥浆触变性: H→Li→Na→K→Mg→Ca→Sr→Ba→Al→NH
(7)泥团可塑性:Li＋→Na＋→K＋→NH4＋→Mg2＋→Ca2＋→Sr2＋→Ba2＋→Al3＋＋→ H
(8)泥浆滤水性: H＋→Al＋＋→Ba＋4→Sr＋2→Ca＋2→Mg＋2→NH＋2→K＋→Na3→Li＋
(9)泥浆浇注时间:Li4→Na＋→K3→NH＋2→Mg＋2→Ca＋2→Sr＋2→Ba＋＋→Al＋＋→H＋
10)坯体形成速率:H＋→Al3＋→Ba2＋→Sr2＋→Ca2＋→Mg2＋→NH4＋→ K＋＋→Na＋→Li