ĐỀ THI MÔN CƠ SỞ VẬT LIỆU ĂN MÒN

CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ ĂN MÒN BÀI TẬP CHƯƠNG II – SỰ MẤT TRẬT TỰ TRONG VẬT LIỆU Tổng hợp bởi Lê Minh Trung – HC17KSTN Cho các hằng số sau 23 A N AN 6,022 10= =  nguyên tửmol R 8, 314= JmolK 0,082= atmLmolK 1,987= calmolK 195,196 10=  eVmolK 23k 1, 38 10−=  JK = 58,61 10− eVK = 243, 30 10− calK 19e 1,60 10 C−=  Các ký hiệu sử dụng trong bài S W Năng lượng tạo thành mất trật tự Schottky s n (hoặc NS) Nồng độ khuyết tật Schottky (trên 1 đơn vị thể tích) f W Năng lượng tạo thành mất trật tự.

CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ ĂN MÒN BÀI TẬP CHƯƠNG II – SỰ MẤT TRẬT TỰ TRONG VẬT LIỆU

Tổng hợp bởi: Lê Minh Trung – HC17KSTN

Cho các hằng số sau:

23 A

N =AN 6,022 10=  nguyên tử/mol

R=8,314J/molK =0,082atmL/molK =1,987cal/molK=5,196 10 19 eV/molK

23

k 1,38 10=  − J/K = 8,61 10 −5eV/K = 3,30 10 −24cal/K

19

e 1,60 10=  − C

Các ký hiệu sử dụng trong bài:

S

W : Năng lượng tạo thành mất trật tự Schottky

s

n (hoặc NS): Nồng độ khuyết tật Schottky (trên 1 đơn vị thể tích)

f

W : Năng lượng tạo thành mất trật tự Frenkel

f

n (hoặc Nf): Nồng độ khuyết tật Frenkel (trên 1 đơn vị thể tích)

N: Số cặp ion trên 1 đơn vị thể tích

d (hoặc  : Khối lượng riêng (khối lượng/thể tích) )

Các ký hiệu trong phương trình cân bằng điện:

M

X

M••: M nằm ở vị trí của X X " :M X nằm ở vị trí của M

i

M :• M nằm ở vị trí xen kẽ X' :i X nằm ở vị trí xen kẽ

M

M hoặc X :X M (hoặc X) ở đúng vị trí của chúng

Điện dương: 1+ = •1 Điện âm: ( )1− = 1'

PHẦN I BÀI TẬP TIẾNG VIỆT

Câu 1 Trên cơ sở cân bằng điện, viết cơ chế mất trật tự trong các trường hợp sau:

a) Mất trật tự kiểu Schottky trong MgO

b) Mất trật tự kiểu Schottky trong Al2O3

c) Mất trật tự kiểu Frenken trong Li3N

d) Một ion Ca2+ thay thế cho Sr2+ trong SrCl2

e) Một ion Na+ thay thế cho Sr2+ trong SrCl2

Câu 2 Xác định cơ chế tạo thành nút trống với các chất sau:

a) Thêm LiCl vào CaCl2

b) Thêm CaCl2 vào LiCl

c) Thêm La2O3 vào HfO2

d) Thêm Al2O3 vào NiO

Câu 3 Trong môi trường có các tác nhân khử ở nhiệt độ cao, một số ion Cu2+ trong Cupric oxide (CuO) sẽ bị khử về ion Cu+

a Xác định các khuyết tật có thể có để cân bằng điện tích Viết phương trình cân bằng điện cho từng trường hợp

b Cần bao nhiêu ion Cu+ tạo thành để tạo thành một khuyết tật ?

c Viết công thức của hợp chất sau khi khuyết tật

Câu 4 Tính toán nồng độ khuyết tật theo kiểu Schottky trong mạng tinh thể MgO ở

1000oC Cho WS = 6 eV, MgO =3,58 g/cm3, MMgO =40,31

Câu 5 Tính phân mol của khuyết tật theo kiểu Schottky trong mạng tinh thể NaCl ở

801oC Biết rằng ở nhiệt độ này, WS = 2,31 eV

Câu 6 Xác định số khuyết tật n theo kiểu Frenken cho: f

a) AgBr ở 500oC Cho Wf = 1,1 eV; d = 6,473 g/cm3; MAgBr =187,78g/mol

b) ZnO ở 1000oC Cho Wf = 2,51 eV; d = 5,55 g/cm3; MZnO =81,41 g/mol

Câu 7 Xác định nồng độ nút trống trong hợp chất MX nguyên chất ở 300K và 1500K Cho

Câu 8 Xác định nồng độ khuyết tật theo kiểu Frenken ở 800oC cho hợp chất Li3N cho biết

Wf = 0,8 eV Biết rằng ở 298K có số ion Li+ ở vị trí xen kẽ bằng 1% nồng độ Li+ tổng là 3.1028

ion.m-3

Câu 9 Tiến hành phân tích sự tạo thành khuyết tật Schottky trong một mẫu oxide MO

thu được kết quả bên bảng dưới:

9,21 10

5,0 10 Hãy xác định:

a Nhiệt tạo thành khuyết tật (eV)

b Nồng độ cân bằng của nút trống Schottky trong 1 m3 ở 1000oC

c Xác định công thức MO

Câu 10 Đồ thị bên dưới biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ phân mol khuyết tật Frenkel

trong tinh thể AgCl theo nhiệt độ Hãy xác định enthalpy tạo thành khuyết tật Frenkel (eV/nguyên tử) trong tinh thể AgCl

Câu 11 CsCl có kiểu bcc:

r + =0,172 nm; r − =0,181nm Xác định nồng độ nút trống có thể được khi có phụ gia, biết rằng sau khi thêm phụ gia có 10% Ca2+ thay thế cho Cs+ và

có 10% Na+ thay thế cho Cs+ ở các nút mạng

Câu 12 Người ta cho hỗn hợp 10% phần mol CdO phản ứng với 90% phần mole Bi2O3 để tạo thành chất điện giải rắn có trống oxy Xác định số nút trống cho 1 mole Bi2O3

Câu 13 ZrO2 có cấu trúc kiểu mạng giống CaF2 Khối lượng riêng d = 6,348 g/cm3 Khối lượng phân tử 123,22 Khi phụ gia Y2O3 vào mạng ZrO2 theo tỷ lệ 11% phần mol Y2O3 và 89% phần mole ZrO2, để thành phần hợp chất có công thức YxZryOz

a) Xác định hệ số x, y, z

b) Xác định nồng độ lỗ cho 1 cm3

Câu 14 Oxyt niken không tồn tại sự mất trật tự có công thức hóa học là NiO Khi tồn tại

sự mất trật tự có công thức hóa học là Ni(1-x)O (oxyt thiếu kim loại), dNiO = 9,2 g/cm3 (không mất trật tự) Khi mất trật tự tỷ lệ Ni3+/Ni2+ = 0,4 và chỉ xuất hiện nút trống V Xác định Ni'' nồng độ nút trống cho 1cm3 Cho MNiO = 74,7 g/mol

Câu 15 Khi kết hợp 10 phần mole Li2O và 90 phần mole NiO tạo thành dung dịch rắn không có trống Ni và O Xác định nồng độ Ni3+ cho 1 cm3 Biết khối lượng riêng của NiO

là 9,2 g/cm3

Câu 16 Tỷ lệ Zn+/Zn2+ trong mạng ZnO là ½ Xác định nồng độ Zn+ /cm3 trong trường hợp không xuất hiện nút trống oxy Biết rằng khối lượng riêng và khối lượng phân tử của ZnO lần lượt là 5,59 g/cm3 và 81,37 g/mol

Câu 17 Xác định khối lượng riêng của dung dịch rắn CaF2 chứa phụ gia YF3 theo thành phần pha trộn trong trường hợp:

a Xuất hiện một nút trống cation

b Xuất hiện một ion F− nằm ở vị trí xen kẽ

Biết rằng hằng số mạng của CaF là 5,46

o

A, khối lượng phân tử của Ca, Y và F lần lượt là

PHẦN II – BÀI TẬP TIẾNG ANH

Question 1 FCC Gold has 5,82 10 8 vacancies cm3 at equilibrium at 300 K What fraction

of the atomic sites is vacant at 600 K ? Given that the gold lattice parameter is 0,40786 nm

Question 2 Calculate the number of vacancies per cm3 expected in copper at 1080°C (just below the melting temperature) The energy for vacancy formation is 20,000 cal/mol and the copper lattice parameter is 361,51 pm

Question 3 The fraction of lattice points occupied by vacancies in solid aluminum at

660°C is 10-3 What is the energy required to create vacancies in aluminum?

Question 4 The density of a sample of FCC palladium is 11.98 g/cm3, its lattice parameter

is 3.8902 Å and molecular weight is 106,4 g/mol Calculate

(a) the fraction of the lattice points that contain vacancies

(b) the total number of vacancies in a cubic centimeter of Pd

Question 5 The density of a sample of HCP beryllium is 1.844 g/cm3, and the lattice

parameters are a = 0.22858 nm and c = 0.35842 nm The molecular weight of beryllium is

9,04 g/mol Calculate

(a) the fraction of the lattice points that contain vacancies

(b) the total number of vacancies in a cubic centimeter

Question 6 BCC lithium has a lattice parameter of 8

3.5089 10 − cm and contains one vacancy per 200 unit cells The molecular weight of lithium is 6,94 g/mol Calculate (a) the number of vacancies per cubic centimeter

(b) the density of Li

Question 7 FCC lead has a lattice parameter of 0.4949 nm and contains one vacancy per

500 Pb atoms, given that the molecular weight of lead is 207,19 g/mol Calculate

(a) the density

(b) the number of vacancies per gram of Pb

Question 8 Cu and Ni form a substitutional solid solution This means that the crystal

structure of a Cu-Ni alloy consists of Ni atoms substituting for Cu atoms in the regular atomic positions of the FCC structure For a Cu-30% wt.% Ni alloy, what fraction of the atomic sites does Ni occupy? Given that the molecular weights of Cu and Ni are 63,54 and 58,71 g/mol, respectively

Question 9 A niobium alloy is produced by introducing tungsten substitutional atoms

into the BCC structure; eventually an alloy is produced that has a lattice parameter of 0.32554 nm and a density of 11.95 g/cm3 Calculate the fraction of the atoms in the alloy that are tungsten Given that the molecular weights of niobium and tungsten are 92,91 and 183,85 g/mol, respectively

Question 10 Tin atoms are introduced into an FCC copper crystal, producing an alloy

with a lattice parameter of 3,7589 10 −8 cm and a density of 8.772 g/cm3 Calculate the atomic percentage of tin present in the alloy Given that the molecular weights of tin and copper are 118,69 and 63,54 g/mol, respectively

Question 11 We replace 7.5 atomic percent of the chromium atoms in its BCC crystal

with tantalum X-ray diffraction shows that the lattice parameter is 0.29158 nm Calculate the density of the alloy Given that the molecular weights of chromium and tantalum are 51,996 and 180,95 g/mol, respectively

Question 12 Suppose we introduce one carbon atom for every 100 iron atoms in an

interstitial position in BCC iron, giving a lattice parameter of 0.2867 nm The iron and carbon radius are 124,1 and 77 pm, respectively For this steel, find the density and the packing factor Given that the molecular weights of iron and carbon are 55,85 and 12,00 g/mol, respectively

Question 13 The density of BCC iron is 7,882 g/cm3 and the lattice parameter is 0,2866

nm when hydrogen atoms are introduced at interstitial positions Calculate

(b) The number of unit cells on average that contain one hydrogen atom

Given that the molecular weights of iron and hydrogen are 55,85 and 1,01 g/mol, respectively

Question 14 Suppose one Schottky defect is present in every tenth unit cell of MgO MgO

has the sodium chloride crystal structure and a lattice parameter of 0.396 nm Given that the molecular weights of Mg and O are 24,312 and 16,00 g/mol, respectively Calculate (a) the number of anion vacancies per cm3

(b) the density of the ceramic

Question 15 ZnS has the zinc blende structure (sphalerite structure) If the density is 3.02

g/cm3 and the lattice parameter is 0.59583 nm, determine the number of Schottky defects (a) per unit cell;

(b) per cubic centimeter

Given that the molecular weights of Zn and S are 65,38 and 32,06 g/mol, respectively

Question 16 Suppose we introduce the following point defects

(a) Mg2+ ions substitute for yttrium ions in Y2O3;

(b) Fe3+ ions substitute for magnesium ions in MgO;

(c) Li1+ ions substitute for magnesium ions in MgO;

(d) Fe2+ ions replace sodium ions in NaCl

What other changes in each structure might be necessary to maintain a charge balance according to interstitial model?



PHẦN III ĐÁP ÁN THAM KHẢO

N Đáp án được thực hiện dựa trên các giá trị hằng số đã nêu ở trang 1

Phần I

1

a "

Mg O MgO→V +V••

b Al O2 3 →2VAl''' +3VO••

c Li N3 →Lii•+VLi' +NN+2LiLi

d CaCl2 →CaSr+2ClCl

e NaCl→Na'Sr+VCl• +ClCl

2

Ca Cl Cl

LiCl→Li +V• +Cl

b CaCl2 →Ca•Li+VLi' +2ClCl

c La O2 3 →2La'Hf +VO••+3OO

d Al O2 3→2AlNi•• +VNi'' +3OO

3

'

Cu

Cu

••

b 2Cu / defects+

c (1) CuO1 x− where x is the number of oxygen vacancies per one initial Cu2+ ion (2) Cu1 x+ O where x is the number of interstitial Cu2+per one initial Cu2+ ion

4 6,94 10 10 vacancies/cm3

−



6 a 7,6 10 18defects/cm3 b 4,36 10 17 defects/cm3

7 300K: 1,44 10 27defects/m3, 1500K: 4,60 10 27 defects/cm3

8 2,33 10 31 defects/m3

9 a 3,4 eV; b 3,99 10 21 defects/m3; c MW 133,1 →Ba

( )

f 10

f

3,1 6,1

2,3 1,5 2 8,314 1000

−

−

11 1,45 10 27 vacancies/m3

12 3,34 10 22 vacancies/moleBi O2 3

13 a (x, y,z) (= 0,198; 0,802; 1,901 ;) b 3,07 10 21 vacancies/cm3

14 9,27 10 21 vacancies/cm3

15 1,35 10 22 Ni3+/cm3

16 1,65 10 22 Zn+/cm3

17

a 2YF3 →2YCa• +VCa'' +6FF = 3,186 2,35x+ (g/cm3, 0 < x < 0,33) where x is the number of calcium vacancies per one initial Ca2+ion

b YF3 →YCa• + +Fi' 2FF = 3,186 2,77x+ (g/cm3, 0 < x < 1)

where x is the number of interstitial flourine per one initial Ca2+ion

Phần II

1 5,86 10 15 vacancies/cm3

2 4,97 10 19 vacancies/cm3

3 0,55 eV/atom

4 a 0,00204; b 1,39 10 20 vacancies/cm3

5 a 0,00390; b 1,22 10 23 vacancies/cm3

6 a 1,16 10 20 vacancies/cm3; b 0,532 g/cm3

7 a 11,3 g/cm3; b 5,81 10 18 vacancies/gram Pb

8 0,716

9 0,343

10 0,120

11 8,262 g/cm3

12  =7,888g/cm3; MV =68,1%

13 a 0,0194; b 51,46 unit cells/interstitial H

14 a 1,61 10 21 vacancies/cm3; b 4,204 g/cm3

15 a 0,052 defects/unit cell; b 2,46 10 20 defects/cm3

16

a 3MgO→Mg'Y +Mgi••+3OO

b Fe O2 3→2FeMg• +2O''i +OO

Li O→Li +Li•+O

d FeCl2 →FeNa• +Cl'i+ClCl

