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1、第六、七章第六、七章 扩散与固相反应扩散与固相反应习题课习题课第五章、第六章习题课第五章、第六章习题课 1、扩散的动力学方程、扩散的动力学方程 2、扩散的热力学方程、扩散的热力学方程 3、扩散机制和扩散系数、扩散机制和扩散系数 空位扩散机制：空位扩散机制：间隙扩散机制：间隙扩散机制：一般形式：一般形式：DD0exp(G/RT)4、固相中的扩散固相中的扩散 EFLnD1/T(本征扩散本征扩散)(非化学计量扩散非化学计量扩散)(非本征扩散或杂质扩散非本征扩散或杂质扩散)5、固相反应的动力学方程、固相反应的动力学方程化学动力学范围：化学动力学范围：扩散动力学范围：扩散动力学范围：72 欲使欲使Ca2
2、+在在CaO中的扩散直至中的扩散直至CaO的熔点的熔点(2600)都是非本都是非本征扩散，征扩散，要求三价杂质离子要求三价杂质离子有什么样的浓度？试对你在计算中所作有什么样的浓度？试对你在计算中所作的各种特性值的估计作充分说明。的各种特性值的估计作充分说明。(已知已知CaO的的Schtty缺陷形成能为缺陷形成能为6eV)解：解：Ca2+在在CaO中的扩散机制为中的扩散机制为空位扩散空位扩散，其，其Schtty缺陷浓度为：缺陷浓度为：故当故当CaO加热至加热至熔点熔点(2600)时时Schtty缺陷浓度为缺陷浓度为 所以欲使所以欲使Ca2+在在CaO中的扩散到其熔点均是非本征扩散，应中的扩散到其
3、熔点均是非本征扩散，应使使M3离子离子产生的产生的 远大于远大于热缺陷空位浓度热缺陷空位浓度因为空位扩散机制的扩散系数因为空位扩散机制的扩散系数 M3进入进入CaO晶格，将发生下面缺陷反应：晶格，将发生下面缺陷反应：因此，杂质离子因此，杂质离子M3的浓度应远大于两倍的热缺陷空位浓度。的浓度应远大于两倍的热缺陷空位浓度。M3+25.4410-61.08810-57-5 试讨论从室温到熔融温度范围内，氯化锌添加剂试讨论从室温到熔融温度范围内，氯化锌添加剂(10-4mol%)对对NaCl单晶中所有离子单晶中所有离子(Zn、Na和和Cl)的扩散能力的影响。的扩散能力的影响。定性分析定性分析：当当NaC
4、l中溶有少量中溶有少量ZnCl2时，时，Na+的扩散系数一方面的扩散系数一方面受缺陷浓度受缺陷浓度(Schtty缺陷：缺陷：V/Na+V.Cl)影响，另一方面受由于引入影响，另一方面受由于引入Zn2+的本征扩散将占优势。的本征扩散将占优势。在整个温度范围内，在整个温度范围内，Cl-的扩散均以本征扩散为主。因为的扩散均以本征扩散为主。因为Zn2+的引入并不明显改变的引入并不明显改变Cl-亚点阵的情况。亚点阵的情况。而形成的而形成的 影响。但可认为：当影响。但可认为：当温度较低温度较低时，由时，由Zn2+的引入而的引入而产生的产生的 对对Na+扩散系数影响是主要的；而当扩散系数影响是主要的；而当温
5、度较高温度较高时，时，Na+定量计算：定量计算：可查得可查得NaCl的的SchttKy缺陷形成能缺陷形成能E2.3eV要使要使NaCl的的SchttKy缺陷浓度达到缺陷浓度达到10-6，则温度必须大于由下，则温度必须大于由下式所决定的临界温度式所决定的临界温度Tc：78 C、N、H在体心立方铁中的扩散激活能分别为在体心立方铁中的扩散激活能分别为84、75和和13kJ/mol，试对此差异分析和解释。试对此差异分析和解释。答：答：C、N、H一般以固溶的方式存在于体心立方铁的点阵空隙一般以固溶的方式存在于体心立方铁的点阵空隙中，它们通过中，它们通过间隙位进行扩散间隙位进行扩散。因而此时影响扩散活化能
6、的主要因。因而此时影响扩散活化能的主要因素是它们的素是它们的原子尺寸原子尺寸。元元 素素 C N H 原子半径原子半径(A0)0.77 0.71 0.46 所以所以随着原子半径的减小，扩散活化能减小随着原子半径的减小，扩散活化能减小。712 MoO3和和CaCO3反应时，反应机理受到反应时，反应机理受到CaCO3颗粒大小的影颗粒大小的影响，当响，当 MoO3：CaCO3 1：1；r MoO3=0.036mm,r CaCO3=0.13mm时，时，反应由反应由扩散控制扩散控制。当。当MoO3：CaCO3 1：15；r CaCO3 0.03mm时，时，反应由反应由MoO3升华控制升华控制，试解释这种
7、现象。，试解释这种现象。答：当答：当CaCO3：MoO3由由1：1升高到升高到15：1以及以及CaCO3颗粒逐渐颗粒逐渐变细后，变细后，MoO3升华到升华到CaCO3表面反应所生成的表面反应所生成的产物扩散层很薄产物扩散层很薄，故扩散极为迅速。因此整个反应的速度将由故扩散极为迅速。因此整个反应的速度将由MoO3升华到升华到CaCO3表表面面的速度决定。反应的动力学过程由如下方程描述：的速度决定。反应的动力学过程由如下方程描述：补充练习补充练习 1、(1)试推测在贫铁的试推测在贫铁的Fe3O4中中Fe2+扩散系数扩散系数与氧分压的关系。与氧分压的关系。(2)试推测在铁过剩的试推测在铁过剩的Fe2
8、O3中氧分压与中氧分压与氧扩散系数氧扩散系数的关系。的关系。解：解：(1)贫铁的贫铁的Fe3O4相当于相当于FeO+少量少量Fe2O3，其结构式可写成：其结构式可写成：Fe1-xO；相应的缺陷方程为：相应的缺陷方程为：(2)铁过剩的铁过剩的Fe2O3相当于相当于Fe2O3+少量少量FeO，其结构式可写成：其结构式可写成：Fe2+xO3；相应的缺陷反应式为：相应的缺陷反应式为：2、钠钙硅酸盐玻璃中阳离子的扩散系数如图所示，试问：、钠钙硅酸盐玻璃中阳离子的扩散系数如图所示，试问：(1)为什么为什么Na+比比Ca2+和和Si4+扩散得快？扩散得快？(2)Na+扩散曲线的非线性部分产生的原因是什么？扩
9、散曲线的非线性部分产生的原因是什么？(3)将玻璃淬火，其曲线将如何变化？将玻璃淬火，其曲线将如何变化？(4)Na+在液态玻璃中扩散的活化能约为多少？在液态玻璃中扩散的活化能约为多少？0.5 1.0 1.51000/T-5-6-7-8-9-10 logD(cm2/secSiCaNa答答：(1)依据玻璃的无规则网络学说，依据玻璃的无规则网络学说，Na+、Ca2+离子均是网络变离子均是网络变性离子，在维持或它可促使迁移的活性力作用下，性离子，在维持或它可促使迁移的活性力作用下，Na+、Ca2 极易极易在网络空洞中发生迁移。实验表明：其活化能一般是在网络空洞中发生迁移。实验表明：其活化能一般是25kc
10、al/mol。而而Si4+在玻璃结构中却充当网络形成离子，它与在玻璃结构中却充当网络形成离子，它与Si4+离子迁移相关的离子迁移相关的粘滞流动活化能约达到粘滞流动活化能约达到100kcal/mol。(2)图中图中Na+扩散曲线的非线性部分表示玻璃的转变区，故这种扩散曲线的非线性部分表示玻璃的转变区，故这种非线性的产生是由于玻璃内部结构的迅速改变所导致的。非线性的产生是由于玻璃内部结构的迅速改变所导致的。(3)将玻璃淬火将玻璃淬火,预计预计Na+扩散系数将有所增加。因为玻璃急冷的扩散系数将有所增加。因为玻璃急冷的热处理可使玻璃比容增大，这意味着玻璃网络结构变得更开放而有热处理可使玻璃比容增大，这
11、意味着玻璃网络结构变得更开放而有利于利于Na+的扩散。的扩散。(4)提示：计算图中提示：计算图中Na+的扩散曲线上段斜率。的扩散曲线上段斜率。4、Fe2+在在FeO中的扩散活化能异常低，为中的扩散活化能异常低，为23kcal/mol，而而Mg2 在在MgO中的扩散活化能则高得多，为中的扩散活化能则高得多，为83kcal/mol，为什么？为什么？解：影响离子扩散系数的主要因素有：扩散基质的晶体结构、解：影响离子扩散系数的主要因素有：扩散基质的晶体结构、参与扩散的离子尺寸、离子与基质间的相互作用能、结构参与扩散的离子尺寸、离子与基质间的相互作用能、结构 中的空位浓度中的空位浓度(若为空位扩散机制若
12、为空位扩散机制)。在。在FeO、MgO化合物化合物 都具有相同的都具有相同的NaCl结构，其阳离子尺寸大致相同。因此结构，其阳离子尺寸大致相同。因此Fe2+在在FeO中的扩散活化能异常低中的扩散活化能异常低而而Mg2 在在MgO中的扩散活化中的扩散活化 能则高得多的能则高得多的主要原因是因为主要原因是因为Fe是易变价元素是易变价元素，Fe2+Fe3+将在点阵中引入空位：将在点阵中引入空位：并且氧分压并且氧分压，此空位浓度，此空位浓度，因而扩散系数，因而扩散系数。5、碳在体心立方铁中的扩散活化能为、碳在体心立方铁中的扩散活化能为20kcal/mol，与与Fe2+在在FeO中中的扩散活化能相近，这
13、是否说明二者的扩散机制相同？为什么？的扩散活化能相近，这是否说明二者的扩散机制相同？为什么？6、由由CaO和和SiO2(分子比分子比2：1)形成形成2CaO.SiO2。反应在反应在14401500的活化能的活化能E547.58KJ/mol，1450时反应速度常数时反应速度常数K=2.29104秒秒-1 求：求：(1)1450时反应的半衰期。时反应的半衰期。(2)1500时反应速度常数。时反应速度常数。分析分析：此属化学动力学范围。球形：此属化学动力学范围。球形：(1G)-2/31Kt 平板：平板：ln(1G)Kt 其中其中KK0exp(-E/RT)，代入相应的数据可求解。代入相应的数据可求解。
14、填空题填空题 1、固体质点扩散的推动力是、固体质点扩散的推动力是_。2、固相分解反应的特点是：、固相分解反应的特点是：(1)_；(2)_;(3)_。3、在、在MoO3+CaCO3CaMoO4+CO2反应中，当反应中，当 CaCO3：MoO3 15，时，由于产物层时，由于产物层_和扩散阻力和扩散阻力_,反应由反应由_控制，并随控制，并随_减小而加速。减小而加速。4、本征扩散是指：、本征扩散是指：_，其扩散系数，其扩散系数D_,其扩散活化能由其扩散活化能由_和和_组成。组成。5、杂质原子在其它晶格中扩散时的推动力为、杂质原子在其它晶格中扩散时的推动力为_，同种原子，同种原子在自己晶格中自扩散的推动
15、力为在自己晶格中自扩散的推动力为_。6、晶体中五种扩散机制为、晶体中五种扩散机制为_、_、_、_和和_，其中，其中 _是离子晶体中最常见的扩散机制，其扩散活化能包括是离子晶体中最常见的扩散机制，其扩散活化能包括_和和_。答案：答案：1、化学位梯度、化学位梯度 2、(1)属非均相反应，参与反应的固相相互接触是反应发生化学作用和物质输送属非均相反应，参与反应的固相相互接触是反应发生化学作用和物质输送的先决条件。的先决条件。(2)固相反应开始温度远低于反应物的熔点或系统低共熔点温度。固相反应开始温度远低于反应物的熔点或系统低共熔点温度。(泰曼温度泰曼温度)(3)存在多晶转变时，此转变也常是反应开始变得明显的温度。存在多晶转变时，此转变也常是反应开始变得明显的温度。(海德华温度海德华温度)3、变薄、变薄 减少减少 MoO3的升化过程的升化过程 MoO3 粒径粒径4、由晶体内本身的热缺陷引起质点迁移的扩散、由晶体内本身的热缺陷引起质点迁移的扩散 DD0exp(-Q/RT)空位形成能空位形成能 空位迁移能空位迁移能5、缺陷浓度、缺陷浓度 06、易位易位 环形扩散环形扩散 空位扩散空位扩散 间隙扩散间隙扩散 准间隙扩散准间隙扩散 空位扩散空位扩散 空位形成能空位形成能 空位迁移能空位迁移能