《無機材料科學基礎》實驗指導書適用專業：無機非金屬材料工程、電科專業安徽建筑大學材料科學與工程系2013年7月《無機材料科學基礎實驗》是配合《無機材料科學基礎》的課堂教學而設置的實踐性教學環節，其目的是使學生了解無機材料科學基礎實驗的研究方法、實驗技術和實驗結果的分析、歸納等步驟，使學生加深對無機材料科學基礎中的基本概念和有關理論的理解，從而加強對學生發現問題和解決問題的能力。通過實際操作，使學生熟悉一些無機材料的物理化學現象，掌握一些無機材料的物理化學實驗所用的儀器及實驗方法。在實驗過程中教育學生養成良好的實驗習慣，愛護公共財產，遵守安全制度，樹立良好的學風，使學生了解實驗的重要性及實驗課程的地位和作用；通過認真觀察模型，加深對無機材料晶體結構的認識；通過具體驗證性實驗，加深對理論課講述原理的理解；通過綜合設計性實驗提高綜合運用知識的能力，掌握自我設計、操作控制實驗過程基本技能。設置的具體實驗項目有：晶體結構模型分析、粘土陽離子交換容量的測定、淬冷法研究相平衡、固相反應動力學、電解質對泥漿粘度的影響等。?實驗一：晶體結構模型分析實驗學時：2學時實驗類型：綜合實驗實驗要求：必修一、實驗目的通過對晶體模型的分析，使學生加深對無機材料科學基礎課程中結晶學基礎和晶體結構兩部分理論教學內容的理解。通過本實驗的學習，為該課程、材料研究方法及無機非金屬材料學等課的學習奠定基礎二、實驗內容1．通過對晶體模型的分析，加深對晶體對稱、對稱操作和對稱要素的理解；2．掌握等軸晶系、四方、三方和六方晶系的晶體定向原則和晶體常數特點；3．分析若干典型晶體結構，加深對配位數、配位多面體的理解。4．標定螢石模型中所有質點所處的幾何位置。三、實驗原理、方法和手段觀測晶體模型找出對稱要素；給晶體定向寫出晶面符號；觀察14種布拉維格子模型；觀察等大球體緊密堆積模型，搞清其配位關系及其中的八面體和四面體兩種空隙的分布，找出面心立方緊密堆積的ABCABC……密堆方向及緊密堆積的ABAB……密堆方向；分析典型的化合物晶體結構模型，搞清各晶體結構中正負離子的配位關系、密堆關系，熟悉其晶胞；觀察硅酸鹽晶體結構。四、實驗條件：相關晶體結構模型五、實驗步驟1.觀測晶體模型找對稱中心（0、找對稱面（P）、找對稱軸（Ln）、找反伸軸（Lin）;2．給晶體定向寫出晶面符號；3.14種布拉維格子模型并認識其特征;觀察等大球體緊密堆積模型，搞清其配位關系及其中的八面體和四面體兩種空隙的分布找，出面心立方緊密堆積的ABCABC……密堆方向及緊密堆積的ABAB……密堆方向；4．分析典型的化合物晶體結構，對照模型，搞清各晶體結構中正負離子的配位關系、密堆關系，熟悉其晶胞;5．觀察硅酸鹽晶體結構，了解各晶體所屬結構類型及其結構中正負離子的配位關系;6．標定螢石模型中所有質點所處的幾何位置。六、實驗報告實驗報告所包含的內容：寫出一種晶體結構的所有對稱要素、晶體定向、晶面符號和晶棱符號，寫出其中正負離子的配位關系、密堆關系，并標出其模型中所有質點所處的幾何位置，指出是何種空間格子。?實驗二：粘土陽離子交換容量的測定實驗學時：3學時實驗類型：驗證實驗實驗要求：必修一、實驗目的掌握測定粘土陽離子交換容量的方法，熟悉鑒定粘土礦物組成的一種方法。二、實驗內容對某種硅酸鹽礦物的陽離子交換容量進行測定，對實驗結果進行處理，寫出實驗報告。三、實驗原理、方法和手段1.原理分散在水溶液中的粘土膠粒帶有電荷，不僅可以吸附反電荷離子，而且可以在不破壞粘土本身結構的情況下，同溶液中的其它離子進行交換。粘土進行離子交換的能力（即交換容量，以“毫克當量/每100克干粘土”表示），隨著礦物的不同而異。礦物高嶺石蒙脫石伊利石陽離子交換容量毫克當量/100克3~1580~15010~40所以，測得離子交換容量，可以作為鑒定粘土礦物組成的輔助方法。測定離子交換容量的方法很多，本實驗采用鋇粘土法。首先，以BaCl2溶液沖洗粘土使粘土變成鋇一土，再用已知濃度的稀H2SO4置換出被粘土吸附的Ba2+，生成BaSO4沉淀，最后用已知濃度的NaOH溶液滴定過剩的稀硫酸，以NaOH消耗量計算粘土的交換容量。2.實驗結果處理按下式計算粘土的交換容量，并判斷屬于哪類粘土。14?NV-（14+L）?NV1vWnW=[ 1 2-]X10010.m式中：W—粘土的交換容量（毫克當量/100克）N-NaOH溶液濃度V1一滴定10ml未經交換的H2so4溶液所需的NaOH溶液毫升數V2一滴定10ml交換后的H2so4溶液所需的NaOH溶液毫升數m—土樣重量（克）L一濕度校正項（L=g1-g2）

g1—濕土加離心管重(克)g2一干土加離心管重(克)四、實驗組織運行要求集中授課形式，分批次進行。⑵集中授課形式，分批次進行。⑵BaCl2溶液(1mol/L)(4)NaOH溶液(0.05mol/L)(6)離心試管(8)滴定管(10)燒杯(12)移液管五、實驗條件試劑與儀器：(1)粘土礦物試樣⑶H2so4溶液(0.025mol/L)酚酞溶液離心分離機錐形瓶分析天平六、實驗步驟.準確稱取粘土礦物試樣(0.5?0.3克)三份(作三個平行試驗，分別置于已知重量的干燥離心試管中，加10mlBaCl2溶液充分攪動(約1分鐘)，然后離心分離，并吸出上面澄清溶液，如此，重復操作兩次，加蒸餾水洗滌二次。.小心地吸凈上層清液，然后將離心管與濕土樣在分析天平中稱量，算出濕度校正項。.在稱量后之土樣中準確地加人14ml(分兩次加H2s04溶液充分攪拌，放置數分鐘，然后離心)離心后將上層酸液合并入一干燒壞中，用移液管準確吸出10ml置于錐形瓶中，滴加酚酞指示劑三滴，用NaOH溶液進行滴定，滴定至搖動30秒鐘紅色不退為止。記下NaOH溶液得用量。.吸取10ml未經交換得H2s04溶液，用相同的NaOH溶液進行滴定，記下所消耗的NaOH溶液毫升數。七、思考題粘土產生陽離子交換的原因是什么？在實驗中為什么要進行濕度校正？制成Ba-土后用水洗滌過多的BaCl2,試問沖洗次數是否受限制？H+為陽離子交換序首位，為什么不直接用H2SO4制成H-土？?實驗三：淬冷法研究相平衡實驗學時：3學時實驗類型：驗證實驗實驗要求：必修一、實驗目的了解系統相平衡與溫度的關系；了解淬冷法的原理與實驗裝置，掌握用淬冷法研究相平衡的實驗方法，驗證 系統相圖。22二、實驗內容以Na2O.2SiO2(Na2O:2SiO2=1:2)為試樣，采用淬冷法驗證Na2O-SiO2系統狀態圖。三、實驗原理、方法和手段一個多相系統的平衡狀態是暫時的，有條件的，當系統的溫度壓力或組分的濃度發生變化時，該系統的相平衡也隨著發生變化，在新的條件將達到新的平衡。研究相平衡的方法很多，淬冷法是一種靜態法；它適用于粘度高結晶慢的系統。例如硅酸鹽系統。淬冷法是把試樣放在高溫爐中，讓爐溫升到所要測量的溫度，保溫一定時間，直到試樣達到平衡狀態，然后將高溫下的試樣急劇冷卻(在氣浴，水浴，汞浴或油浴中)使相變來不及進行，這樣就可以保持高溫時的平衡狀態不變，以便在室溫下進行觀察。把淬冷后的樣品進行偏光顯微鏡分析或X-射線分析，鑒定試樣中相的種類，個數以及各相之間的數量關系，由此確定在不同溫度下系統的相變情況，做出對應的相圖，例如，某一組分的樣品在t1溫度下被淬冷后，經顯微鏡分析全是玻璃相，那說明系統在t1溫度下是全部熔融的液相：在t2溫度下被淬冷后，有部分玻璃相與相當數量的晶體,那說明系統在t2溫度下部分熔融。那么液相線溫度應在t1和t2之間，縮短實驗溫度間隔，就可以得出比較準確的液相線溫度。本實驗所用試樣為Na2O.2SiO2(Na2O:2SiO2=1:2)驗證Na2O-SiO2系統狀態圖(見附圖)，了解系統的平衡與溫度的關系，掌握淬冷法的實驗方法。四、實驗組織運行要求根據本實驗的特點、要求和具體條件，采用集中授課形式。五、實驗條件實驗設備：五、實驗條件實驗設備：1．相平衡測試儀精密溫度控制器圖3-1淬冷法相平衡實驗裝置示意圖（1）-高溫爐電阻絲；（2）-鉻鋁電偶；（3）-熔斷裝置；（4）-電插銷；（5）-鉑裝料斗；（6）-電流表；（7）-溫度控制器；（8）-電爐底蓋；（9）-水浴杯；（10）-高溫爐；（11）-高溫爐保溫層2．偏光顯微鏡六、實驗步驟.按Na2O.2SiO2樣品組成計算Na2cO3,SiO2的重量百分比，進行配料，并混合均勻，制成玻璃以得到組分均勻的樣品。.把少量試樣（0.01?0.02g）裝入伯坩堝內，用細銅絲吊好，放入高溫爐中，要放到爐膛中部，蓋好高溫爐的上下蓋子。.將高溫爐升溫至750℃，保溫30分鐘，然后打開爐底蓋同時，松動吊樣的銅絲使樣品掉在地面（或水浴中）。.在另一高溫爐升高到900℃保溫30分鐘淬冷或750℃淬冷后，蓋好電爐底蓋，溫到900℃，保溫30分鐘，然后再將樣品（第二個）淬冷。.把淬冷后的樣品冷卻后，取出，放在載玻片上用鑷子平研細（壓碎）蓋上蓋玻片，在偏光顯微鏡下觀察物鏡。.根據觀察結果寫出試驗報告，并與Na2O-SiO2系統相圖相對照。七、思考題用淬冷法研究相平衡有什么優缺點？用淬冷法怎樣確定相圖中的液相線，固相線？八、實驗報告要求在指導書中明確學生實驗報告的內容及具體要求，主要包括實驗預習、實驗記錄和實驗報告三部分。

實驗記錄及結果處理：樣品編號加熱溫度（℃）保溫時間（分）鏡下觀察到的現象結論12九、其它說明注意事項：小鉑金坩堝內料不要裝得過多，物料過多，不易熔化，不易達到平衡，影響實驗結果。升溫速率要記錄每升100℃所需時間（分），不可升溫太快。淬冷后的樣品，輕輕地從坩堝內扒出，注意不要劃壞坩堝，鉑金坩堝用完后，速交指導老師保存。樣品研碎時，顆粒極易迸出，要特別小心，研碎后，顆粒不可過大，以免支起蓋玻片，也不易過細，全部成分粉末，不易觀察。淬冷要迅速。每人都要在偏光顯微鏡下觀察兩個不同溫度的淬冷試樣。115Na2O-2SiO2J1/O,2SiO}+石英十Na2O-SiO2Na115Na2O-2SiO2J1/O,2SiO}+石英十Na2O-SiO2Na2OSiO2\2Na2OSiO2+LNa?O+L4050 60 70 80%Na2O-SiO2系統相圖90 100SiO2Na2OSiO2+L30附圖：?實驗四 電解質對泥漿粘度的影響實驗學時：4學時實驗類型：驗證實驗要求：必修一、實驗目的1.了解電解質對泥漿的稀釋作用；2.了解泥漿相對粘度的測定設備與測定方法；3.了解泥漿的稠固性（厚化性、稠化度）的測定方法二、實驗內容稠固性的測定，相對粘度的測定，加水量對粘土泥漿流動性的影響的測定。三、實驗原理、方法和手段泥漿是粘土懸浮于水中的二項系統.在無機材料制造過程中,為適應工藝的需要,希望獲得含水量低,又同時具有良好的流動性、穩定性的泥漿,為了達到此要求,一般都在泥漿中加入適量的電解質做為稀釋劑（減水劑）.常用的稀釋劑有:水玻璃、純堿、紙漿廢液、木質素磺酸鈉等。在水介質中粘土顆粒表面是帶電的,可以吸附溶液中的異號離子形成吸附層和擴散層,若改變離子的種類就能改變粘土粒子周圍擴散層的厚度,一般擴散層愈厚吸附層與擴散層界面上的z電位愈大泥漿的穩定性愈好一價堿金屬離子有使擴散層增厚的作用因此加入適當的堿金屬鹽類能提高z電位促進泥漿的流動性和穩定性,不同的電解質對泥漿性能影響也不同,本實驗通過加入不同重量的 來研究電解質對粘土 水系統粘度的影23響.在實際應用中,對材料的稀釋性能一般只測定相對粘土.相對粘度的測定是測定出在同一溫度下,流出相同體積的泥漿與水所需的時間,然后進行計算得到相對粘度值。靜置30秒鐘后，100ml泥漿流出時間（秒）相對粘度= 100ml水流出時間（秒）泥漿類似于某些膠體系統,呈現觸變性能,當泥漿靜置一段時間后會稠厚起來,但在機械作用影響下（如劇烈的攪拌,振動等）又恢復其流動性.這個性能以稠固性（稠化度,厚化度）來評定,稠固性愈大,表示該泥漿愈易沉積。稠固性用泥漿在粘度計中靜置一定時間后（本實驗規定30分鐘及30秒鐘）流出速度的比值表示。靜置30分鐘后，100ml泥漿流出時間（秒）稠固性= —— - 靜置30秒鐘后，100ml泥漿流出時間（秒）

四、實驗組織運行要求根據本實驗的特點、要求和具體條件，集中授課形式。2.量筒 2.量筒 3.玻璃棒5.Na2CO3溶液（不同濃度）7.試驗用粘土 8.承量瓶10.恩氏粘度計（如圖）1.藥物天平.燒杯（600ml）.秒表.蒸餾水六、實驗步驟加水量對粘土泥漿流動性的影響的測定。取3支容量為600ml的燒杯，每杯放入80g粘土（天平精確到0.1g）,在第一杯中加入蒸餾水150ml，其余各杯中相應增加30ml水，即180，210，240ml水，用玻璃棒攪拌均勻，攪拌相同的時間，倒入粘度計中，然后測流出100ml泥漿所需的時間（秒）。相對粘度的測定取3支容量為600ml的燒杯，每杯加入80g粘土（天平精確到0.1g）然后依次分別加入150ml濃度為0.1%，0.4%，3.0%的Na2c。3溶液，充分攪拌同樣的時間。將充分攪拌的泥漿倒入粘度計中一定的刻度（同前），靜置30秒種后，用秒表測出流出100ml泥漿所需要的時間（秒），在同樣條件下，測定流出100ml蒸餾水所需的時間（秒），兩者之比即為相對粘度。靜置30秒鐘后，100ml泥漿流出時間（秒）相對粘度= ：-； - 100ml水流出時間（秒）上述試驗至少做三個平行試驗。再取其平均值，通過相對粘度的計算可以看出電解質的加入量對泥漿粘度的影響。稠固性的測定將上述相同泥漿經攪拌后倒入粘度計中至一定刻度，靜置30分鐘再測流出100ml泥漿所需要的時間（秒），靜置30分鐘后流出時間與靜置30秒種的流出時間的比值即為此泥漿的稠固性。稠固性=靜置30分鐘后，100ml泥漿流出時間（秒）靜置30秒鐘后，100ml泥漿流出時間（秒）七、思考題1．電解質稀釋泥漿的機理？2．電解質應具備那些條件？3．做這個泥漿性能實驗對生產有何指導意義？八、實驗報告學生實驗報告的內容及具體要求，主要包括實驗預習、實驗記錄和實驗報告三部分。

數據記錄與處理：室溫 ℃ 100ml蒸餾水的流出時間秒泥漿編號加水量（ml）電解質名稱及濃度（％）流出100ml泥漿的時間（秒）相對粘度稠度性靜置30秒種靜置30分鐘123456繪圖：.以100ml泥漿流出所需的時間（秒）為橫坐標，以蒸餾水的加入量（ml）為縱坐標，做出泥漿用水稀釋曲線圖。.以電解質的加入量5/100g干泥）為橫坐標，以相對粘度為縱坐標，做為電解質對泥漿相對粘度影響的曲線圖。九、其它說明注意事項：粘度計每次用后必須洗凈。不能流出的泥漿其時間按無窮大計算，可取消它，不必計算和繪圖。Na2CO3易在潮濕的空氣中變質，要注意防止和檢查。?實驗五固相反應實驗學時：4實驗類型：驗證試驗實驗要求：必修一、實驗目的驗證固相反應理論，通過本實驗達到進一步了解固相反應機理。通過測定BaCO3-SiO2系統中給定組成的固相反應速度常數，熟悉測定固相反應速度的儀器及方法。二、實驗內容測定BaCO3-SiO2系統中給定組成的固相反應速度常數，驗證固相反應的動力學規律---楊德爾方程。三、實驗原理、方法和手段固態物質中的質點(分子、原子或離子)是不斷振動的(除絕對零度外)，隨著溫度升高，振幅增大，當達到一定溫度時(各種物質不同)，由于存在熱起伏，使某些質點具有了一定的能量，以至于可以跳離其原來的位置，而產生質點的遷移。這一過程對于單元系統來說就是燒結的開始。這一過程在無氣相和液相時也能進行，這就是狹義的固相反應。從廣義上講，所謂固相反應就是有固體物質參加的反應。固相反應全部過程可分為擴散過程、反應過程及晶核形成過程這三個部分。其中進行得最慢的一個過程控制著整個過程的進行。許多固相反應是由擴散過程控制的，在這種情況下，等溫固相反應動力學有三種可能性：①新形成的反應產物層阻礙擴散作用：此時反應速度與產物層的厚度y成反比：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"dy/dt=K/y (1)②新形成的反應產物層與擴散作用無關：dy/dt=K (2)③新形成的反應產物層能促進擴散作用：\o"CurrentDocument"dy/dt=Ky (3)實際上大部分固相反應屬于第一種類型。由(1)式積分得:y2=Kt (4)由于實際測量反應產物層厚度比較困難，因此，通常用反應產物百分數x來表示反應程度。設顆粒為球形且反應物與產物的比重相等，則可推得如下方程：100-x[1-31100]2=Kt對于BaCO3-SiO2系統，可以用測量反應時放出得氣體體積或系統重量損失（重量法）來計算反應產物百分數。但因重量法靈敏度差，故常采用量氣法。量氣法一般都在負壓下（-40mmHg）進行，這樣實驗結果準確度高。本實驗為便于控制和操作，在常壓下進行。四、實驗組織運行要求根據本實驗的特點、要求和具體條件，采用集中授課形式。五、實驗條件實驗裝置如下圖所示：1.高溫爐；2.反應管；3.反應小筒；4.熱電偶；5.掛筒鉤；6.三通開關；7.溫度控制器；8.水銀溫度計；9.量氣筒；10.水套管；11.水準瓶；12.電流表；13.調壓變壓器圖1量氣法裝置線路圖六、實驗步驟（1）樣品制備：將BaCO3和石英砂研細，過4900孔篩，SiO2在空氣中加熱至800℃，保溫5小時，BaCO3在CO2氣氛中加熱到400℃，保溫4小時，除去其顆粒表面的吸附水和其它氣體，并消除研磨時表面產生的應力。把熱處理后BaCO3和SiO2按分子比1:2配好混勻，防于干燥器內備用。（2）在分析天平上稱0.4~0.5克樣品于白金小筒內，塌實，接上懸絲，然后置于爐內反應管中，掛于小鉤上。

（3）檢查儀器密封情況，不漏氣方可進行實驗。采用提高（或降低）水準瓶，使之產生一個水位差（壓力差）的方法來檢查漏氣情況。（4）檢查線路后，接通電