材料化學第二版曾兆華版課后答案

1、第一章1 .什么是材料化學？其主要特點是什么？答：材料化學是有關(guān)于材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備及應(yīng)用的化學。主要特點：跨學科性，實踐性。2 .材料與試劑的主要區(qū)別是什么？答：試劑在使用過程中通常被消耗并轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，而材料通常是可重復的、連續(xù)的，除了正常的消耗外，它不會不可逆地轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)。3 .觀察一只燈泡，列舉制造燈泡所需的材料。4 .材料按其組成和結(jié)構(gòu)可以分為哪幾類？如果按功能和用途對材料分類，列舉十種不同功能或用途的材料。答：(1)金屬材料，無機非金屬材料，高分子材料，復合材料(2)導電材料、絕緣材料、生物醫(yī)用材料、航天航空材料、能源材料、電子信息材料、感光材料5 .簡述材料化學的主要內(nèi)

2、容。答：結(jié)構(gòu)：原子和分子在不同層次彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布。特性：材料固有的化學、物理和力學特性。制備：將原子和分子結(jié)合在一起，并最終將其轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品應(yīng)用。第二章1.原子間的結(jié)合鍵共有幾種？各自特點如何?特點鍵強形成晶體的特點離了鍵無飽和性、無力向性、高配位數(shù)。最強高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導電、熔態(tài)離子導電。共價鍵有飽和性、后方向性、低配位數(shù)強高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、在熔態(tài)也不導電。金屬鍵1電子共有化，可以自由流動；較強塑性較好、有光澤、良好的導熱、無飽和性、無方向性、配位數(shù)高導電性。范德華鍵無飽和性、無方向性取習習氫鍵有飽和性、后方

3、向性n3.計算體心立方及六方密堆的的堆積系數(shù)。(1)體心立方4RJ3aaR3單位晶胞原子數(shù)n=22±4a33W4R/3)(4R/3)30.68(2)六方密堆_ca.83a2Rn=664R3/3)hcp=136c(aa)2264R3/3)12Rj8(RV3R)0.74(3)面心立方4R2aa4Rn=4fcc=4(4R3/3)4(4R3/3)(4R/.2)30.7410.單質(zhì)Mn有一種同素異構(gòu)體為立方結(jié)構(gòu)，其晶胞參數(shù)為0.6326nm,密度=7.26gcm-3,原子半徑r=0.112nm,計算Mn晶胞中有幾個原子，其堆積系數(shù)為多少?星AC1_7.26*(7132Gxx6.0210”54.

4、94=20139/20僧每甲位晶胞有20佃原子c4堆穗因子-j粵CI-12A)'一G.326A”二0.4649311 .固溶體與溶液有何異同？固溶體有幾種類型?固體溶液與液體溶液的共同點：均具有均一性、穩(wěn)定性，均為混合物，均存在溶解性問題(對固態(tài)溶液稱為固溶度，對液體溶液稱為溶解度)；均一性：溶液各處的密度、組成和性質(zhì)完全一樣；(2)穩(wěn)定性：溫度不變，溶劑量不變時，溶質(zhì)和溶劑長期不會分離;(3)混合物：溶液一定是混合物。固體溶液與液體溶液的不同點：固溶體的溶質(zhì)和溶劑均以固體形式出現(xiàn)，而液體溶體的溶質(zhì)和溶劑均以液體形式出現(xiàn)；固溶體：又稱固體溶液，指由一種或多種溶質(zhì)組元溶入晶態(tài)溶劑，并保持

5、溶劑晶格類型所形成的單相晶態(tài)固體。固溶體按固溶度分可兩種類型：有限固溶體與無限固溶體；按溶質(zhì)原子在晶格中的位置可分為置換固溶體與填隙固溶體。12 .試述影響置換固溶體的固溶度的因素答：有原子或離子半徑大小，電價，化學鍵性質(zhì)，晶體結(jié)構(gòu)等因素。(1)原子或離子半徑大?。簉i卷r100%,Ar<15%,形成連續(xù)固溶體；15%<Ar<30%形成有限固溶ri體；Ar>30%,難形成固溶體；(2)電價：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，才能滿足電中性要求，形成連續(xù)固溶體。(3)化學鍵相近，易形成連續(xù)固溶體。(4)晶體結(jié)構(gòu)類型相同，易形成連續(xù)固溶體。15.說明為什

6、么只有置換型固溶體的兩個組份之間才能相互完全溶解，而填隙型固溶體則不能。答：置換型固溶體：溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點位置所組成的固溶體。間隙型固溶體：溶質(zhì)原子進入溶劑晶體間隙位置所形成的固溶體。由于溶劑晶體間隙有限，能填入異質(zhì)原子或離子的數(shù)目也有限，因此間隙型固溶體是有限固溶體。20 .NaCl晶體的晶胞棱長為0.558nm,試計算NaCl的晶格能。21 .高分子材料的聚態(tài)結(jié)構(gòu)有哪些？晶態(tài)結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，取向態(tài)結(jié)構(gòu)，液晶態(tài)結(jié)構(gòu)以及織態(tài)結(jié)構(gòu)22 .簡述高分子鏈的柔順性與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系。主鏈結(jié)構(gòu)主鏈結(jié)構(gòu)對高分子鏈柔順性影響很顯著。(1)碳鏈高分子:a不飽和碳鏈高分子比飽和碳鏈高

7、分子柔順。PB>PEIR>PPPVC>CRb主鏈含有苯環(huán)的高分子和有共軻雙鍵的高分子柔順性差。聚苯酸(PPO)聚苯聚乙快(2)雜鏈高分子和元素高分子：Si-O>C-N>C-O>C-C硅橡膠尼龍類酯類烯類側(cè)基-側(cè)基的極性、體積和對稱性(1)極性側(cè)基極性的大?。簶O性越大，鏈的柔順性越小。PAN>PVC>PP極性多少：極性基增多，則柔順性減小。氯化聚乙烯當含氯量小時是一種彈性好的橡膠，隨著含氯量的增加，鏈的柔順性下降，彈性下降最后變形一種硬質(zhì)材料。聚乙烯>聚氯乙烯>1,2聚二氯乙烯對稱性：取代基對稱分布時，柔順性好聚偏二氯乙烯>聚氯乙

8、烯(2)非極性側(cè)基當側(cè)基是柔性時，側(cè)基越長，鏈的柔性越好。聚甲基丙烯甲酯<聚甲基丙烯乙酯<聚甲基丙烯丙酯當側(cè)基是剛性時，側(cè)基體積增大，空間位阻效應(yīng)增加，柔順性下降PE>PP>PS>聚乙烯基咔座當側(cè)基對稱時，柔順性增加.PP<PIB支化與交聯(lián)(1)支化：長支化-分子鏈之間的物理纏結(jié)作用增加，分子鏈活動受阻，柔順性下降。短支化-分子鏈間距離增大，柔順性增加。(2)交聯(lián)：輕度交聯(lián)-不影響鏈的活動能力，柔順性不變。高度交聯(lián)-鏈的活動受阻，柔順性下降。氫鍵及分子間作用力如果高分子在分子內(nèi)或分子間形成氫鍵，則分子鏈的剛性增加。聚乙烯>聚甲醛23 .什么是液晶聚合物

9、？高分子液晶有哪幾種結(jié)構(gòu)類型？兼具晶體的光學性質(zhì)和液體流動性質(zhì)，是某些物質(zhì)在熔融態(tài)或在溶液狀態(tài)下所形成的有序流體的總稱液晶是介于完全有序晶體與各向同性液體之間的一種中間狀態(tài),確切地說，它是一種取向有序的流體，它既有液體的易流動性，又有晶體雙折射各向異性的特性。按液晶形成的方式和性能分類a、溶致性液晶：在溶液中當達到某一臨界濃度以上時呈現(xiàn)液晶性能聚對苯二甲酰對苯二胺(Kevlar)聚對苯酰胺聚對苯撐苯并曝二b.熱致性液晶：聚合物加熱至熔點以上某一個溫度范圍呈現(xiàn)液晶性能。液晶的物理結(jié)構(gòu)主要是指分子在空間的排列狀態(tài)。高分子液晶與小分子液晶一樣，也可以呈現(xiàn)三種不同的聚集狀態(tài)，即向列型、近晶型和膽管型液

10、晶態(tài)。第四章4.埃靈罕姆圖上大多數(shù)斜線的斜率為正，但是反應(yīng)C+O2-CO2的斜率為0,反應(yīng)2C+O2=2CO的斜率為負，請解釋原因。G0=AH0-TAS0ZXGO與溫度T關(guān)系式的斜率為-AS0C(s)+O2(g)一CO2(g)氧化過程氣體數(shù)目不變，則4S0=0,(-AS0)=0,斜率為零。2C(s)+O2(g)=2CO(g)氧化過程氣體數(shù)目增加，則4S0>0,(-as0)<0,斜率為負。第五章1 .什么是濕法冶金？濕法冶金有什么優(yōu)點？答：濕法冶金是利用一些化學溶劑的化學作用，在水溶液或非水溶液中進行包括氧化，還原,中和，水解和絡(luò)合等反應(yīng)。優(yōu)點：原料中有價金屬綜合回收程度高，有利于環(huán)

11、境保護，并且生產(chǎn)過程較易實現(xiàn)連續(xù)化和自動化。2 .從金屬的結(jié)構(gòu)特點，說明制備非晶態(tài)金屬的關(guān)鍵是什么？必須形成原子或分子混亂排列的狀態(tài)；必須將這種熱力學上的亞穩(wěn)態(tài)在一定的溫度范圍內(nèi)保存下來，使之不向晶態(tài)轉(zhuǎn)變。3 .陶瓷的固相燒結(jié)一般可分為哪幾個階段？答：3個階段：初始階段：主要表現(xiàn)為顆粒形狀改變；中間階段：主要表現(xiàn)為氣孔形狀改變；最終階段：主要表現(xiàn)為氣孔尺寸改變。4 .聚合實施方法有哪幾種？哪些方法適合于制備顆粒狀聚合物？答：4種：本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合、乳液聚合。懸浮聚合適用于制備顆粒狀聚合物。5 .提拉法中，控制晶體品質(zhì)的因素主要有哪些？答：提拉法中，控制晶體品質(zhì)的主要因素有固液界面的

12、溫度梯度、生長速率、轉(zhuǎn)晶速率以及熔體的流體效應(yīng)等。6 .單晶硅棒和厚度約1科m的薄膜分別可用什么方法制備？答：(1)單晶硅棒可以用晶體生長技術(shù)中的提拉法來制備，即將硅原料熔體盛放在增鍋中，籽晶桿帶著籽晶由上而下插入熔體，由于固液界面附近的熔體維持一定的過冷度，熔體沿籽晶結(jié)晶，以一定速度提拉并且逆時針旋轉(zhuǎn)籽晶桿，隨著籽晶的逐漸上升，生長成單晶硅棒。(2)厚度約1科m的單晶硅薄膜可用陰極濺射法制備，即利用高能粒子轟擊固體靶材表面(Si)使得靶材表面的原子或原子團獲得能量并逸出表面，然后在基片的表面沉積形成單晶硅薄膜。7 .液相外延法和氣相沉積法都可制備薄膜，如果要制備納米厚度的薄膜，應(yīng)采用哪種方法

13、？答：液相外延法具有設(shè)備簡單、純度高的特點，但是由于晶體成核和生長的速率較快，得到的膜較厚，很難得到納米厚度的薄膜。物理氣相沉積可通過調(diào)控蒸鍍源與靶之間的距離來調(diào)控膜沉積的速率，化學氣相沉積可通過體系的溫度、壓力等因素來調(diào)控膜沉積的速率。因此，如果要制各納來厚度的薄障，應(yīng)采用氣相沉積法比轉(zhuǎn)奸。8 .CVD法沉積Si0:可通過哪些反應(yīng)實現(xiàn)？寫出相關(guān)化學方程式。答:CVD法沉積Si0:可通過以下幾種反應(yīng)來實現(xiàn)。(1)烷氧化物的熱分解：Si(OC2H5)4fSi02+C2曰+H20(2)硅化合物的氧化反應(yīng)：SiCl4(g)+O2(g)-Si02(s)+2C12(g)SiH4(g)+O2(g)-Si0

14、2(s)+2H2(g)SiC14(g)+2C02+2hb(g)一Si02(s)+4HC1(g)+2C0(g)(3)硅化合物的水解反應(yīng)：SiC14(g)+2H20(g)-Si02(s)+4HC1(g)9 .用什么方法可以對Cu和Cut。進行分離？寫出相關(guān)化學方程式。答：對Cu和Cua0進行分離，可以采用化學氣相輸運技術(shù)，以HCl作為輸運氣體。過程中發(fā)生如下反應(yīng)：面+HCl(g)(父，CuCl(g)+!國©.Q顫中2OIFFCup(s)+2IICl(g)=r>2CuCl(g)+II.(g)+Q由于從Cu。生成CuCI為放熱反應(yīng)，而從Cu生成CuCI為吸熱反應(yīng)，因此CU20在較高溫度

15、處沉積，而Cu則在較低溫度處沉積，從而可以對Cu和C30進行分離。10,溶膠一凝膠法制備纖維材料，應(yīng)采用怎樣的條件較合適？請解釋。答：溶膠一凝膠法制備纖維材料，應(yīng)在拉纖階段控制合適的粘度，選擇合適的催化劑，選擇合適的成纖方法。因為拉纖階段溶膠的粘度會影響纖維的直徑和纖維的質(zhì)量，粘度大時得到的纖維直徑較大，粘度小時得到的纖維直徑較小。其次，因為是要得到纖維材料，所以縮聚的中間體應(yīng)該是線形分子鏈，所以應(yīng)使用酸催化，因為堿催化會得到三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中間體。此外，如果要得到長纖維的話，可以用拉纖法，而要得到短纖維的話，應(yīng)采用離心噴出法。11 .怎樣用均勻沉淀法合成硫化鋅顆粒？寫出相關(guān)化學方程式。答：用均

16、勻沉淀法合成ZnS顆粒，可以采用硫代乙酬:胺(CH3CSNH)作為硫源，以乙酸鋅(CHC00)2Zn)為原料制得，反應(yīng)方程式如下：CHCSNHCH3CN+HS(CH3c00»Zn+H2S-ZnS+2CHCOOH12 .有兩種活化能分別為Q=83.7KJ/mol和Q=251KJ/mol的擴散反應(yīng)。觀察在溫度從25c升高到600c時對這兩種擴散的影響，并對結(jié)果做出評述。k=Aexp(-AGk/RT)D=D0exp(-Q/RT)Q為擴散活化能，從上兩式可見，溫度上升時，無論反應(yīng)速率常數(shù)還是擴散系數(shù)都是增加的，但由于擴散活化能通常比反應(yīng)活化能小，從而溫度的變化對化學反應(yīng)的影響遠大于對擴散的影

17、響。一般認為溫度升高均有利于反應(yīng)進行，因為溫度升高，固體結(jié)構(gòu)中質(zhì)點熱振動動能增大，反應(yīng)能力和擴散能力均得到增強的原因所致。13 .簡述影響固相反應(yīng)的因素。反應(yīng)物的化學組成、特性和結(jié)構(gòu)狀態(tài)溫度和壓力；其他可能影響晶格活化，促使物質(zhì)內(nèi)外傳輸?shù)囊蛩氐?。反?yīng)物形態(tài)、反應(yīng)物間比例、反應(yīng)條件。14 .簡述自蔓延高溫合成法原理。是利用反應(yīng)物之間的化學反應(yīng)熱的自加熱和自傳導作用來合成材料的一種技術(shù)。原理是外部熱源將原料粉或預先壓制成一定密度的坯件進行局部或整體加熱，當溫度達到點燃溫度時撤掉外部熱源，利用原料顆粒發(fā)生的固體與固體反應(yīng)或固體與氣體反應(yīng)放出的反應(yīng)熱，使反應(yīng)繼續(xù)直至反應(yīng)完畢。15 .自組裝發(fā)生的條件是

18、什么？非共價鍵的弱相互作用力協(xié)同作用是自組裝的驅(qū)動力，它為自組裝提供能量，維持自組裝體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和完整性。導向作用，即結(jié)構(gòu)單元在空間的互補性，也就是說要使自組裝的發(fā)生，必須在空間尺寸上達到結(jié)構(gòu)單元重排的要求。期中試卷一、名詞解釋1 .材料：材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機器或其他產(chǎn)品的物質(zhì)。2 .相律：是研究相平衡的基本規(guī)律，表示平衡物系中的自由度數(shù)，相數(shù)及獨立組分數(shù)之間的關(guān)系。3 .勢能阱：4 .置換固溶體：是指溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格部分正常位置所形成的固溶體，即溶劑原子在晶格中的部分位置，被溶質(zhì)原子所替換。5 .間隙固溶體：指溶質(zhì)原子不是占據(jù)溶劑晶格的正常結(jié)點位置，而是填入溶劑原子間

19、的一些間隙中。6 .晶格能：處于氣態(tài)的離子結(jié)合生成固態(tài)離子晶體時釋放的能量7 .表面能：恒溫、恒壓、恒組成情況下，可逆地增加物系表面積須對物質(zhì)所做的非體積功。表面能的另一種定義是，表面粒子相對于內(nèi)部粒子所多出的能量。8 .表面張力：液體表面任意二相鄰部分之間垂直于它們的單位長度分界線相互作用的拉力。9 .潤濕：10 .自憎現(xiàn)象：二、填空|1 .填寫下列表格結(jié)構(gòu)型式CsCl型者鹽型螢心螢心卜為鋅礦當金紅牛型化學組成比n+/n-1:11:11:22:11:11:24彳簡單、1只立為最卷貝禺子堆積力叢方堆不正負離子配位數(shù)比CN/CN6:68:44:81:16:3實例CsClNaClCaFNaOZnS

20、2 .將下列相圖中單相區(qū)兩相區(qū)標志清楚，并解釋所有的點線面。液相線：ABCD固相線：AHJEC五個單相區(qū)：液相區(qū)：ABCD以上(L)固溶體：AHNA丫奧氏體相區(qū)：NJESGN“鐵素體相區(qū)GPQG滲碳體相區(qū)：DFKL(Fe3C)鐵碳相圖中點,線,相區(qū)及其意義L+612271:部相ABCD固相線：AHJEC:近個單相區(qū)口>ABCDL；H灌櫛花CL>F食HNATS固溶體9121C(;727TC7+Fe/."I0.0218HN/CNJESGN臭氏,相度,施鍛K1W|pQAA>不二?_1fBl.DFKL一渣碳體材,<F白3c>11股七三、解答題1.材料按其組成和結(jié)

21、構(gòu)可以分為哪幾類？如果按功能和用途對材料分類，列舉十種不同功能或用途的材料。答：(1)金屬材料，無機非金屬材料，高分子材料，復合材料(2)導電材料、絕緣材料、生物醫(yī)用材料、航天航空材料、能源材料、電子信息材料、感光材料。2.原子間的結(jié)合鍵共有幾種？各自特點如何?特點鍵強形成晶體的特點離了鍵無飽和性、無力向性、高配位數(shù)。最強高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導電、熔態(tài)離子導電。共價鍵有飽和性、有方向性、低配更高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、在熔態(tài)也不導電。位數(shù)金屬鍵1電子共有化，可以自由流動；較強塑性較好、有光澤、良好的導熱、無飽和性、無方向性、配位數(shù)高導電性。范

22、德華鍵無飽和性、無方向性取習習氫鍵有飽和性、后方向性113 .埃靈罕姆圖上大多數(shù)斜線的斜率為正，但是反應(yīng)C+O2-CO2的斜率為0,反應(yīng)2C+O2=2CO的斜率為負，請解釋原因。Go=ahO-T/SZGP與溫度T關(guān)系式的斜率為-AS0C(s)+O2(g)一CQ(g)氧化過程氣體數(shù)目不變，則4S0=0,(-AS0)=0,斜率為零。2c(s)+O2(g)=2CO(g)氧化過程氣體數(shù)目增加，則4S0>0,(-as0)<0,斜率為負。4 .解釋鋁材為何不易生銹，鐵容易生銹，談?wù)劵瘜W腐蝕和電化學腐蝕各自的特點及機理。5 .簡述鮑林規(guī)則(5條)(1) .配位多面體規(guī)則，其內(nèi)容是：在離子晶體中,在正離子周圍形成一個負離子多面體,正負離子之間的距離取決于離子半徑之和，正離子的配位數(shù)取決于離子半徑比?！?2)電價規(guī)則指出：在一個穩(wěn)定的離子晶體結(jié)構(gòu)中，每一個負離子電荷數(shù)等于或近似等于相鄰正離子分配給這個負離子的靜電鍵強度的總和,其偏差W1/4價”。靜電鍵強度S=