材料化學課后題答案

1、1什么是材料化學？其主要特點是什么？什么是材料化學？其主要特點是什么？材料化學是與材料相關的化學學科的一個材料化學是與材料相關的化學學科的一個分支，是與材料的分支，是與材料的結構、性質、制備及應結構、性質、制備及應用用相關的化學。相關的化學。材料化學的主要特點是材料化學的主要特點是跨學科性和實踐性跨學科性和實踐性2材料與試劑的主要區(qū)別是什么？材料與試劑的主要區(qū)別是什么？試劑在使用過程中通常試劑在使用過程中通常被消耗并轉化被消耗并轉化成別的物質成別的物質材料則一般材料則一般可重復、持續(xù)使用可重復、持續(xù)使用，除正常損耗外，除正常損耗外，它它不會不可逆地轉變成不會不可逆地轉變成其他物質其他物質3簡述

2、材料化學的主要研究內容簡述材料化學的主要研究內容結構：組成原子、分子在不同層次上彼此結合的結構：組成原子、分子在不同層次上彼此結合的形式、狀態(tài)和空間分布形式、狀態(tài)和空間分布性能：材料固有的化學、物理及力學方面的性能性能：材料固有的化學、物理及力學方面的性能制備：將原子、分子聚合起來并最終轉變?yōu)橛杏弥苽洌簩⒃?、分子聚合起來并最終轉變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列連續(xù)的過程產(chǎn)品的一系列連續(xù)的過程應用應用4材料中的結合鍵有哪幾種？各自材料中的結合鍵有哪幾種？各自的特點如何？對材料的特性有何的特點如何？對材料的特性有何影響？影響？5類類 型型鍵本身特點鍵本身特點鍵合鍵合 強弱強弱形成晶體的特點形成晶體的特點離子

3、鍵離子鍵無飽和性、無方向性、無飽和性、無方向性、高配位數(shù)高配位數(shù)最強最強高熔點、高強度、高硬度、低高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導電、熔態(tài)離子導電導電、熔態(tài)離子導電共價鍵共價鍵有飽和性、有方向性、有飽和性、有方向性、低配位數(shù)低配位數(shù)強強高熔點、高強度、高硬度、低高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、在熔態(tài)膨脹系數(shù)、塑性較差、在熔態(tài)也不導電也不導電金屬鍵金屬鍵電子共有化，可以自電子共有化，可以自由流動；無飽和性、由流動；無飽和性、無方向性、配位數(shù)高無方向性、配位數(shù)高較強較強塑性較好、有光澤、良好的導塑性較好、有光澤、良好的導熱、導電性熱、導

4、電性范德華范德華鍵鍵無飽和性、無方向性無飽和性、無方向性 最弱最弱氫鍵氫鍵有飽和性、有方向性有飽和性、有方向性弱弱各種結合鍵主要特點比較各種結合鍵主要特點比較6計算體心立方結構和六方密堆結構的堆積系數(shù)計算體心立方結構和六方密堆結構的堆積系數(shù)R Ra aa aR R3434 68. 0)3/4()3/4(2)3/4(23333bcc R RR Ra aR R 單位晶胞原子數(shù)單位晶胞原子數(shù) n = 2bcc（1）體心立方）體心立方7（2）六方密堆）六方密堆hcpR Ra aa ac c238 n = 674. 0)3(3812)3/4(6)2321(6)3/4(633hcp R RR RR RR

5、Ra aa ac cR R 8fccR Ra aa aR R2424 n = 474. 0)2/4()3/4(4)3/4(43333fcc R RR Ra aR R （3）面心立方）面心立方9已知已知K+和和Cl-的半徑分別為的半徑分別為0.133 nm 和和0.181 nm，試分析，試分析KCl的晶體結構，并計算堆積系數(shù)的晶體結構，并計算堆積系數(shù)解：因為解：因為r+/ r- = 0.133/0.181 = 0.735，其，其值處于值處于0.732和和1.000之間，所以正離子配之間，所以正離子配位數(shù)應為位數(shù)應為8，處于負離子立方體的中心，處于負離子立方體的中心，屬于下面提到的屬于下面提到的C

6、sCl型結構。型結構。 a0 = 2r+ + 2r- = 2(0.133) + 2(0.181) = 0.628 nma0 = 0.363 nm2r+2r -33333304444() ()(0.133) (0.181)3333 0.725(0.363)rra堆積系數(shù)10簡要回答晶體和非晶體的區(qū)別和轉化簡要回答晶體和非晶體的區(qū)別和轉化從空間結構上來說從空間結構上來說，晶體長程；短程都有序，非晶體，晶體長程；短程都有序，非晶體長程無序短程有序。長程無序短程有序。宏觀性質來說宏觀性質來說，（，（1 1）晶體具有整齊、規(guī)則的幾何外形；）晶體具有整齊、規(guī)則的幾何外形；非晶體沒有一定的幾何形狀。（非晶體

7、沒有一定的幾何形狀。（2 2）晶體具有各向異性；）晶體具有各向異性；非晶體各向同性。（非晶體各向同性。（3 3）晶體有固定的熔點；非晶體沒）晶體有固定的熔點；非晶體沒有。有。從熱力學來說從熱力學來說，晶體為熱力學穩(wěn)定狀態(tài)；非晶體熱力，晶體為熱力學穩(wěn)定狀態(tài)；非晶體熱力學不穩(wěn)定。學不穩(wěn)定。區(qū)別：區(qū)別：轉化：轉化：非晶體容易向晶體轉化，而晶體只有在極端的條非晶體容易向晶體轉化，而晶體只有在極端的條件下（如驟冷）才可以向晶體轉化件下（如驟冷）才可以向晶體轉化11Chapter2 Structure of Materials固溶體與溶液有何異同？固溶體有機種類型？固溶體與溶液有何異同？固溶體有機種類型？

8、相同點：相同點：都有都有兩種或兩種以上的組分兩種或兩種以上的組分組成；都可組成；都可以形成分散均勻、穩(wěn)定的以形成分散均勻、穩(wěn)定的單一相單一相，都存在，都存在溶解度溶解度不同點：不同點：狀態(tài)不同狀態(tài)不同，溶液為液態(tài)，固溶體為固態(tài)；，溶液為液態(tài)，固溶體為固態(tài)；結構不同結構不同，固溶體的溶質結構和溶劑相似，溶液只，固溶體的溶質結構和溶劑相似，溶液只有在稀溶液時才相同；有在稀溶液時才相同；性質不同，性質不同，固溶體的性質與固溶體的性質與溶劑有關，但溶液只有在稀溶液時才相同。溶劑有關，但溶液只有在稀溶液時才相同。分類：分類：固溶體分為置換型固溶體和填充型固溶體固溶體分為置換型固溶體和填充型固溶體12試述

9、影響置換型固溶體的固溶度的因素試述影響置換型固溶體的固溶度的因素Hume-Rothery經(jīng)驗規(guī)則當當 時，溶質與溶劑之間可以形成連續(xù)時，溶質與溶劑之間可以形成連續(xù)固溶體；固溶體；當當 時，溶質與溶劑之間只能形成時，溶質與溶劑之間只能形成有限型固溶體；有限型固溶體；當當 時，溶質與溶劑之間很難形成固溶時，溶質與溶劑之間很難形成固溶體或不能形成固溶體，而容易形成中間相或化合物。體或不能形成固溶體，而容易形成中間相或化合物。15. 0121rrrr%30121rrrr%30%15121rrrr（1）原子或離子尺寸的影響）原子或離子尺寸的影響13Chapter2 Structure of Materi

10、als（2）電價因素）電價因素一般來說，兩種固體只有在離子價相同或同號離一般來說，兩種固體只有在離子價相同或同號離子的離子價總和相同時，才可能滿足電中性的要子的離子價總和相同時，才可能滿足電中性的要求，生成連續(xù)固溶體。求，生成連續(xù)固溶體。（3）離子類型和鍵性）離子類型和鍵性化學鍵性質相近，即取代前后離子周圍離子間鍵化學鍵性質相近，即取代前后離子周圍離子間鍵性相近，容易形成固溶體。性相近，容易形成固溶體。（4）晶體結構類型的影響）晶體結構類型的影響溶質與溶劑晶體結構類型相同，能形成連續(xù)固溶體溶質與溶劑晶體結構類型相同，能形成連續(xù)固溶體14Chapter2 Structure of Materia

11、ls說明下列符號的意義說明下列符號的意義NaVClVVNaNa脫離開原來的位置，形成的空位脫離開原來的位置，形成的空位Na+脫離開原來的位置，形成的空位，脫離開原來的位置，形成的空位，有效電荷為有效電荷為-1Cl-脫離開原來的位置，形成的空位，有效脫離開原來的位置，形成的空位，有效電荷為電荷為+1CaKCa2+ 取代取代K+而進入而進入K+的位置，有效電荷為的位置，有效電荷為+1CaiCaCaCa取代取代Ca而進入而進入占據(jù)占據(jù)Ca的位置的位置Ca2+進入間隙位置，有效電荷為進入間隙位置，有效電荷為+215Chapter2 Structure of Materials寫出寫出CaCl2溶解在溶

12、解在KCl中的各種可能的缺陷反應式中的各種可能的缺陷反應式 Ca2+取代取代K+，Cl-進入進入Cl-晶格位置：晶格位置： Ca2+取代取代K+，Cl-進入間隙位置：進入間隙位置： Ca2+進入間隙位置，進入間隙位置，Cl-占據(jù)晶格位置：占據(jù)晶格位置： ClKKKCl22Cl V Ca CaCliClKKCl2Cl Cl Ca CaClClKiKCl22Cl 2V Ca CaCl16試求下圖中所示方向的密勒指數(shù)試求下圖中所示方向的密勒指數(shù)A：E：B：F：C：G：D：0,1,1 1,0,11,1,0110 0,1,0 1,0,11,1, 1111 11111,0,1,0, 1,121222211

13、0,1,1,0,01,1,22122 110,0,0,0,1,0, 110222 2110,1,1,0,1,1,331333 1211,00,11, 1616236 17試求下圖中所示面的密勒指數(shù)試求下圖中所示面的密勒指數(shù)A面：朝面：朝x方向平移一晶格參數(shù)，方向平移一晶格參數(shù)，則則x1，y，z 故為（故為（1,0,0）B面：面： x1，y-1，z 1/2故為（故為（1,1,1/2），即（），即（1,1,2）C面：面： x1，y1，z -3/4故為（故為（1,1,-3/4），即（），即（1,1,-4/3）即（即（3,3,4）18D面：面：x1，y1/3，z 故為（故為（1,1/3, ），），即為

14、（即為（1,3,0）E面：面：x0，y0，z ,故須平故須平移，朝移，朝x方向平移一晶格參數(shù)，則方向平移一晶格參數(shù)，則x1，y-1，z 故為（故為（1,-1, ），即為（），即為（1,1,0）F面：面： x0，y0，z 1/2,故須平故須平移，朝移，朝x方向平移一晶格參數(shù)，則方向平移一晶格參數(shù)，則x1，y-1，z 1/2故為（故為（1,-1, 1/2 ），即為（），即為（1,1,2）19用固體能帶理論說明什么是導體、半導體、用固體能帶理論說明什么是導體、半導體、絕緣體？絕緣體？2.1.3.5 Electrical property滿帶：充滿電子的能帶滿帶：充滿電子的能帶空帶：部分充滿或全空的能

15、帶空帶：部分充滿或全空的能帶價帶：價電子填充的能帶價帶：價電子填充的能帶禁帶：導帶及滿帶之間的空隙禁帶：導帶及滿帶之間的空隙導帶導帶20導體：導體：價帶未滿，或價帶全滿但禁帶寬度為零，價帶未滿，或價帶全滿但禁帶寬度為零，此時，電子能夠很容易的實現(xiàn)價帶與導帶之間此時，電子能夠很容易的實現(xiàn)價帶與導帶之間的躍遷。的躍遷。半導體半導體：價帶全滿，禁帶寬度在：價帶全滿，禁帶寬度在0.1-3eV之間，之間，此時，電子可以通過吸收能量而實現(xiàn)躍遷。此時，電子可以通過吸收能量而實現(xiàn)躍遷。絕緣體絕緣體：價帶全滿，禁帶寬度大于：價帶全滿，禁帶寬度大于5eV，此時，此時，電子很難通過吸收能量而實現(xiàn)躍遷電子很難通過吸收

16、能量而實現(xiàn)躍遷21有一根長為有一根長為5 m，直徑為，直徑為3mm的鋁線，已知的鋁線，已知鋁的彈性模量為鋁的彈性模量為70Gpa，求在，求在200N的拉力作的拉力作用下，此線的總長度用下，此線的總長度。 00()/lll ( H o o k e s L a w )E 0/FA0 0() / lll =5.002m22試解釋為何鋁材不易生銹，而鐵則較易生銹試解釋為何鋁材不易生銹，而鐵則較易生銹?鋁在空氣中可以生成致密得氧化物膜，阻止與空氣得鋁在空氣中可以生成致密得氧化物膜，阻止與空氣得進一步接觸，所以不易生銹進一步接觸，所以不易生銹鐵在空氣中生成疏松得氧化物膜，不能隔絕空氣；特鐵在空氣中生成疏松

17、得氧化物膜，不能隔絕空氣；特別是鐵在潮濕得空氣中能夠發(fā)生電化學反應，因此加別是鐵在潮濕得空氣中能夠發(fā)生電化學反應，因此加大了銹蝕，所以鐵較易生銹。大了銹蝕，所以鐵較易生銹。23為什么堿式滴定管不采用玻璃活塞為什么堿式滴定管不采用玻璃活塞?玻璃的主要原料為玻璃的主要原料為SiO2， 而而SiO2為酸性氧化物，因為酸性氧化物，因此，容易在堿性條件下發(fā)生化學反應此，容易在堿性條件下發(fā)生化學反應:SiO22NaOHNa2SiO3H2O造成活塞失靈。造成活塞失靈。24何種結構的材料具有高硬度？如何提高金屬何種結構的材料具有高硬度？如何提高金屬材料的硬度？材料的硬度？由共價鍵組成的材料具有高的硬度，離子鍵

18、次之。由共價鍵組成的材料具有高的硬度，離子鍵次之。金屬材料在形成固溶體或合金時可以有效地提高金金屬材料在形成固溶體或合金時可以有效地提高金屬材料的硬度。屬材料的硬度。25熱膨脹受什么因素影響？試用勢能圖說明熱膨脹受什么因素影響？試用勢能圖說明熱膨脹主要受到鍵強的影響，鍵強越強，熱膨脹越弱。熱膨脹主要受到鍵強的影響，鍵強越強，熱膨脹越弱。此外，組織結構也對熱膨脹有影響。結構緊密的固體，此外，組織結構也對熱膨脹有影響。結構緊密的固體，膨脹系數(shù)大。膨脹系數(shù)大。2627Cs熔體的標準吉布斯自由能（單位為熔體的標準吉布斯自由能（單位為J）與溫）與溫度度T（單位為（單位為K）的關系為）的關系為 Gm210

19、0-6.95T，求熔點求熔點到熔點時到熔點時 Gm0T21006.95302.2K即即29.228通過埃靈罕姆圖解釋為何碳在高溫下可以用作通過埃靈罕姆圖解釋為何碳在高溫下可以用作金屬氧化物還原劑金屬氧化物還原劑22C(s) +O (g)=2CO(g)對于該反應式從圖中可以看出，其溫度越高，對于該反應式從圖中可以看出，其溫度越高， G0的的負值越大，其穩(wěn)定性也就越高，即該反應中碳的還原負值越大，其穩(wěn)定性也就越高，即該反應中碳的還原性越強。性越強。29埃靈罕姆圖上大多數(shù)斜線的斜率為正，但反應埃靈罕姆圖上大多數(shù)斜線的斜率為正，但反應C+O2=CO2的斜率為的斜率為0，反應，反應2C+O2=2CO的斜

20、的斜率為負，請解釋原因率為負，請解釋原因22C(s) +O (g)=CO (g)氧化過程氣體數(shù)目不變，則氧化過程氣體數(shù)目不變，則 S0=0, (- S0)=0，斜率為，斜率為零。零。000GHT S G0與溫度與溫度T關系式的斜率為關系式的斜率為- S022C(s) +O (g)=2CO(g)氧化過程氣體數(shù)目增加，則氧化過程氣體數(shù)目增加，則 S00, (- S0)0，斜率為負。，斜率為負。30吉布斯相律通常為吉布斯相律通常為f=c-p+2，為什么在固體材料，為什么在固體材料的研究中，相律一般可表達成的研究中，相律一般可表達成f=c-p+1相律式中的相律式中的2表示溫度和壓力，但對于固體材料表示

21、溫度和壓力，但對于固體材料來說，壓力的影響不大，只受溫度的影響，所以相來說，壓力的影響不大，只受溫度的影響，所以相律表達為律表達為f=c-p+1。31一合金的成分為一合金的成分為90Pb-10Sn。（。（a）請問此合金）請問此合金在在100、200、300時含有哪幾種相？時含有哪幾種相？（b）在哪個溫度范圍內將將只有一相存在？）在哪個溫度范圍內將將只有一相存在？300時，此合金含晶體時，此合金含晶體和液體和液體L200時，此合金只含有晶體時，此合金只含有晶體100時，此合金含有晶體時，此合金含有晶體和和在在140到到275時，此合金只有一相存在。時，此合金只有一相存在。32固溶體合金的相圖如下

22、圖所示，試根據(jù)相圖確定：固溶體合金的相圖如下圖所示，試根據(jù)相圖確定：（a）成分為）成分為40B的合金首先凝固出來的固體成分是？的合金首先凝固出來的固體成分是？（b）若首先凝固出來的固體成分含）若首先凝固出來的固體成分含60B，合金成分為？，合金成分為？（c）成分為）成分為70B的合金最后凝固的液體成分是？的合金最后凝固的液體成分是？（d）合金成分為）合金成分為50B，凝固到某溫度時液相含有，凝固到某溫度時液相含有40 B， 固體含有固體含有80B，此時液體和固體各占多少分數(shù)？，此時液體和固體各占多少分數(shù)？（a）80B（b）20B（c）25B（d）WL/W(C-C0) )/(C0-CL)=(80

23、%B-50%B)/(50%B-40%B)=3/1所以液體占所以液體占25，固體占，固體占7533黑色金屬：黑色金屬：鐵、鈷、錳金屬及它們的合金鐵、鈷、錳金屬及它們的合金有色金屬：有色金屬：馬氏體：馬氏體：奧式體：奧式體：超耐熱合金：超耐熱合金：除鐵、鈷、錳之外的金屬除鐵、鈷、錳之外的金屬碳溶解在碳溶解在-Fe中形成的間隙固溶體中形成的間隙固溶體碳溶解在碳溶解在-Fe中形成的過飽和固溶體中形成的過飽和固溶體能在能在7001200高溫下仍能長時間保持所高溫下仍能長時間保持所需力學性能，具抗氧化、抗腐蝕能力，且能需力學性能，具抗氧化、抗腐蝕能力，且能滿意工作的金屬材料通稱超耐熱合金。滿意工作的金屬材

24、料通稱超耐熱合金。34金屬間化合物：金屬間化合物：金屬固溶體：金屬固溶體：一個（或幾個）金屬組元的原子溶入另一一個（或幾個）金屬組元的原子溶入另一個金屬組元的晶格中，而仍個金屬組元的晶格中，而仍保持另一金屬保持另一金屬組元的晶格類型的固態(tài)晶體組元的晶格類型的固態(tài)晶體。形成金屬固溶體后，繼續(xù)形成金屬固溶體后，繼續(xù)增大溶質金屬的增大溶質金屬的量量，溶質析出與溶劑反應，溶質析出與溶劑反應，形成一種晶格形成一種晶格類型及性能與任意合金組元不同新相類型及性能與任意合金組元不同新相35簡述形狀記憶合金的原理簡述形狀記憶合金的原理形狀記憶效應源于某些特殊結構合金在特定溫度下發(fā)生的形狀記憶效應源于某些特殊結構

25、合金在特定溫度下發(fā)生的馬氏體奧氏體相組織結構的相互轉化馬氏體奧氏體相組織結構的相互轉化。當。當溫度降低溫度降低時，時，面心立方結構的面心立方結構的母體奧氏體逐漸轉變母體奧氏體逐漸轉變成體心立方或體心四成體心立方或體心四方結構的方結構的馬氏體馬氏體，溫度上升溫度上升時，時，馬氏體又會向奧氏體轉變馬氏體又會向奧氏體轉變，最終恢復到原來的形狀。最終恢復到原來的形狀。36介紹儲氫合金類別，并說明其儲氫、釋氫化學過程介紹儲氫合金類別，并說明其儲氫、釋氫化學過程儲氫：一個金屬原子能與兩個、三個甚至更多的氫原子結合，生成穩(wěn)定的金屬氫化物，同時放出熱量。釋氫：將其稍稍加熱，氫化物又會發(fā)生分解，將吸收的氫釋放出

26、來，同時吸收熱量。22H2H )MHMH2xxQ 放熱（吸入）吸熱（放出37討論儲氫合金在鎳氫電池領域的工作原理討論儲氫合金在鎳氫電池領域的工作原理充電時，金屬作為陰極電解KOH水溶液時，生成的氫原子在材料表面吸附，繼而擴散入電極材料表面進行氫化反應生成金屬氫化物；放電時，金屬氫化物作為陰極釋放所吸收的氫原子并氧化為水。電極反應為：充電：充電：M+H2O+e-MH+OH-Ni(OH)2+OH-NiOOH+H2O+e-放電：放電：MH+OH-M+H2O+e-NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-38超塑性合金一般具有怎樣的結構特點？超塑性合金一般具有怎樣的結構特點？超塑性合金的組織結構基

27、礎是晶粒一般為微小等超塑性合金的組織結構基礎是晶粒一般為微小等軸的晶粒。軸的晶粒。39非晶態(tài)金屬材料一般如何制得？它具有什么突非晶態(tài)金屬材料一般如何制得？它具有什么突出性能特點？結構上是熱力學穩(wěn)定體系嗎？出性能特點？結構上是熱力學穩(wěn)定體系嗎？非晶態(tài)合金一般通過電鍍、激光法及熔體旋輥急冷非晶態(tài)合金一般通過電鍍、激光法及熔體旋輥急冷法制備。法制備。性能特點性能特點:（1）高強度高韌性的力學性能）高強度高韌性的力學性能（2）高導磁、低鐵損的軟磁性能）高導磁、低鐵損的軟磁性能（3）耐強酸、強堿腐蝕的化學特性）耐強酸、強堿腐蝕的化學特性（4）電性能提高）電性能提高結構上為熱力學亞穩(wěn)體系結構上為熱力學亞穩(wěn)

28、體系40一般金屬材料是否為單晶態(tài)金屬結構？一般金屬材料是否為單晶態(tài)金屬結構？一般金屬材料為一般金屬材料為多晶態(tài)多晶態(tài)金屬結構金屬結構41玻璃體：玻璃體：熔體冷卻后呈堅硬無定形狀態(tài)的無機物熔體冷卻后呈堅硬無定形狀態(tài)的無機物陶瓷：陶瓷：所有以粘土為主要原料與其它天然礦物原所有以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎、混煉、成形、燒結等過程而料經(jīng)過粉碎、混煉、成形、燒結等過程而制成的各種制品制成的各種制品p-型半導體：型半導體：以空穴為載流子的半導體以空穴為載流子的半導體蒙脫土：蒙脫土：兩個四面體片夾一八面體片組成一個晶片，兩個四面體片夾一八面體片組成一個晶片，八面體片中，部分八面體片中，部分Mg取代取代Al而使層片帶而使層片帶負電，多余電荷由層間陽離子中和。負電，多余電荷由層間陽離子中和。 42結構陶瓷結