材料化學(xué)第二版(曾兆華版)課后答案

第一章什么是材料化學(xué)？其主要特點(diǎn)是什么？答：材料化學(xué)是有關(guān)于材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備及應(yīng)用的化學(xué)。主要特點(diǎn)：跨學(xué)科性，實(shí)踐性。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(fù)的、連續(xù)的，除了正常的消耗外，它不會(huì)不可逆地轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)。觀察一只燈泡，列舉制造燈泡所需的材料。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(duì)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(jī)非金屬材料，高分子材料，復(fù)合材料（2）導(dǎo)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、感光材料簡述材料化學(xué)的主要內(nèi)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(xué)、物理和力學(xué)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(diǎn)如何？特點(diǎn)鍵強(qiáng)形成晶體的特點(diǎn)離子鍵無飽和性、無方向性、高配位數(shù)。最強(qiáng)高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導(dǎo)電、熔態(tài)離子導(dǎo)電。共價(jià)鍵有飽和性、有方向性、低配位數(shù)強(qiáng)高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、在熔態(tài)也不導(dǎo)電。金屬鍵電子共有化，可以自由流動(dòng)；無飽和性、無方向性、配位數(shù)高較強(qiáng)塑性較好、有光澤、良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性。范德華鍵無飽和性、無方向性最弱氫鍵有飽和性、有方向性弱3.計(jì)算體心立方及六方密堆的的堆積系數(shù)。（1）體心立方單位晶胞原子數(shù)n=2（2）六方密堆n=6（3）面心立方n=410.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(jì)算Mn晶胞中有幾個(gè)原子，其堆積系數(shù)為多少？11.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(diǎn)：均具有均一性、穩(wěn)定性，均為混合物，均存在溶解性問題（對(duì)固態(tài)溶液稱為固溶度，對(duì)液體溶液稱為溶解度）；(1)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(shí)，溶質(zhì)和溶劑長期不會(huì)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(diǎn)：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(jià)，化學(xué)鍵性質(zhì)，晶體結(jié)構(gòu)等因素。（1）原子或離子半徑大小：，Δr<15%,形成連續(xù)固溶體；15%<Δr<30%,形成有限固溶體；Δr＞30%,難形成固溶體；（2）電價(jià)：兩種固體只有在離子價(jià)相同或同號(hào)離子的離子價(jià)總和相同時(shí)，才能滿足電中性要求，形成連續(xù)固溶體。（3）化學(xué)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.說明為什么只有置換型固溶體的兩個(gè)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(diǎn)位置所組成的固溶體。間隙型固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)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(jì)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(duì)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分子柔順。PB>PEIR>PPPVC>CRｂ主鏈含有苯環(huán)的高分子和有共軛雙鍵的高分子柔順性差。聚苯醚（PPO）聚苯聚乙炔（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(duì)稱性（1）極性側(cè)基極性的大小：極性越大，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(dāng)含氯量小時(shí)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(duì)稱性：取代基對(duì)稱分布時(shí),柔順性好聚偏二氯乙烯>聚氯乙烯（2）非極性側(cè)基當(dāng)側(cè)基是柔性時(shí)，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(dāng)側(cè)基是剛性時(shí),側(cè)基體積增大,空間位阻效應(yīng)增加,柔順性下降.PE>PP>PS>聚乙烯基咔唑當(dāng)側(cè)基對(duì)稱時(shí),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(dòng)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(dòng)能力，柔順性不變。高度交聯(lián)－－鏈的活動(dòng)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？高分子液晶有哪幾種結(jié)構(gòu)類型？兼具晶體的光學(xué)性質(zhì)和液體流動(dòng)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(dòng)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(dāng)達(dá)到某一臨界濃度以上時(shí)呈現(xiàn)液晶性能

聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(Kevlar)聚對(duì)苯酰胺聚對(duì)苯撐苯并噻唑

b.熱致性液晶：聚合物加熱至熔點(diǎn)以上某一個(gè)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、近晶型和膽甾型液晶態(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(fù)，請(qǐng)解釋原因。△G0=△H0-T△S0△G0與溫度T關(guān)系式的斜率為-△S0C（s）+O2（g）→CO2（g）氧化過程氣體數(shù)目不變，則△S0=0,（-△S0）=0，斜率為零。2C（s）+O2（g）=2CO（g）氧化過程氣體數(shù)目增加，則△S0>0,（-△S0）<0，斜率為負(fù)。第五章1.什么是濕法冶金？濕法冶金有什么優(yōu)點(diǎn)？答：濕法冶金是利用一些化學(xué)溶劑的化學(xué)作用，在水溶液或非水溶液中進(jìn)行包括氧化，還原，中和，水解和絡(luò)合等反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：原料中有價(jià)金屬綜合回收程度高，有利于環(huán)境保護(hù)，并且生產(chǎn)過程較易實(shí)現(xiàn)連續(xù)化和自動(dòng)化。2.從金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，說明制備非晶態(tài)金屬的關(guān)鍵是什么？①必須形成原子或分子混亂排列的狀態(tài)；②必須將這種熱力學(xué)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(gè)階段？答：3個(gè)階段：①初始階段：主要表現(xiàn)為顆粒形狀改變；②中間階段：主要表現(xiàn)為氣孔形狀改變；③最終階段：主要表現(xiàn)為氣孔尺寸改變。4.聚合實(shí)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1μm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(shí)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1μm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(tuán)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?答:液相外延法具有設(shè)備簡單、純度高的特點(diǎn)，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?cè)磁c靶之間的距離來調(diào)控膜沉積的速率，化學(xué)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(shí)現(xiàn)?寫出相關(guān)化學(xué)方程式。答:CVD法沉積Si0:可通過以下幾種反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。（1）烷氧化物的熱分解:Si(OC2H5)4→Si02+C2H4+H20（2）硅化合物的氧化反應(yīng):SiCl4(g)+O2(g)→Si02(s)+2C12(g)SiH4(g)+O2(g)→Si02(s)+2H2(g)SiC14(g)+2C02+2H2(g)→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(duì)Cu和Cu2O進(jìn)行分離?寫出相關(guān)化學(xué)方程式。答:對(duì)Cu和Cu20進(jìn)行分離，可以采用化學(xué)氣相輸運(yùn)技術(shù)，以HCl作為輸運(yùn)氣體。過程中發(fā)生如下反應(yīng):由于從Cu20生成CuCI為放熱反應(yīng)，而從Cu生成CuCI為吸熱反應(yīng)，因此Cu20在較高溫度處沉積，而Cu則在較低溫度處沉積，從而可以對(duì)Cu和Cu20進(jìn)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(qǐng)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?yàn)槔w階段溶膠的粘度會(huì)影響纖維的直徑和纖維的質(zhì)量，粘度大時(shí)得到的纖維直徑較大，粘度小時(shí)得到的纖維直徑較小。其次，因?yàn)槭且玫嚼w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?yàn)閴A催化會(huì)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(xué)方程式。答:用均勻沉淀法合成ZnS顆粒，可以采用硫代乙酞胺(CH3CSNH3)作為硫源，以乙酸鋅（CH3C00)2Zn)為原料制得，反應(yīng)方程式如下:CH3CSNH2→CH3CN+H2S(CH3C00)2Zn+H2S→ZnS+2CH3COOH12.有兩種活化能分別為Q1=83.7KJ/mol和Q2=251KJ/mol的擴(kuò)散反應(yīng)。觀察在溫度從25℃升高到600℃時(shí)對(duì)這兩種擴(kuò)散的影響，并對(duì)結(jié)果做出評(píng)述。k=Aexp（-△Gk/RT）D=D0exp(-Q/RT)Q為擴(kuò)散活化能，從上兩式可見，溫度上升時(shí)，無論反應(yīng)速率常數(shù)還是擴(kuò)散系數(shù)都是增加的，但由于擴(kuò)散活化能通常比反應(yīng)活化能小，從而溫度的變化對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響遠(yuǎn)大于對(duì)擴(kuò)散的影響。一般認(rèn)為溫度升高均有利于反應(yīng)進(jìn)行，因?yàn)闇囟壬?，固體結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)熱振動(dòng)動(dòng)能增大，反應(yīng)能力和擴(kuò)散能力均得到增強(qiáng)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(xué)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(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)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(yù)先壓制成一定密度的坯件進(jìn)行局部或整體加熱，當(dāng)溫度達(dá)到點(diǎn)燃溫度時(shí)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)生的條件是什么？①非共價(jià)鍵的弱相互作用力協(xié)同作用是自組裝的驅(qū)動(dòng)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。②導(dǎo)向作用，即結(jié)構(gòu)單元在空間的互補(bǔ)性，也就是說要使自組裝的發(fā)生，必須在空間尺寸上達(dá)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(jī)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(dú)立組分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。3.勢(shì)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(diǎn)位置，而是填入溶劑原子間的一些間隙中。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(shí)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(duì)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(duì)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2.將下列相圖中單相區(qū)兩相區(qū)標(biāo)志清楚，并解釋所有的點(diǎn)線面。液相線：ABCD固相線：AHJEC五個(gè)單相區(qū)：液相區(qū):ABCD以上(L)固溶體：AHNAγ奧氏體相區(qū):NJESGNα鐵素體相區(qū)GPQG滲碳體相區(qū):DFKL(Fe3C)三、解答題1.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(duì)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(jī)非金屬材料，高分子材料，復(fù)合材料（2）導(dǎo)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(diǎn)如何？特點(diǎn)鍵強(qiáng)形成晶體的特點(diǎn)離子鍵無飽和性、無方向性、高配位數(shù)。最強(qiáng)高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導(dǎo)電、熔態(tài)離子導(dǎo)電。共價(jià)鍵有飽和性、有方向性、低配位數(shù)強(qiáng)高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、在熔態(tài)也不導(dǎo)電。金屬鍵電子共有化，可以自由流動(dòng)；無飽和性、無方向性、配位數(shù)高較強(qiáng)塑性較好、有光澤、良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性。范德華鍵無飽和性、無方向性最弱氫鍵有飽和性、有方向性弱3.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(fù)，請(qǐng)解釋原因。△G0=△H0-T△S0△G0與溫度T關(guān)系式的斜率為-△S0C（s）+O2（g）→CO2（g）氧化過程氣體數(shù)目不變，則△S0=0,（-△S0）=0，斜率為零。2C（s）+O2（g）=2CO（g）氧化過程氣體數(shù)目增加，則△S0>0,（-△S0）<0，斜率為負(fù)。4.解釋鋁材為何不易生銹，鐵容易生銹，談?wù)劵瘜W(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕各自的特點(diǎn)及機(jī)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(gè)負(fù)離子多面體，正負(fù)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(jià)規(guī)則指出：“在一個(gè)穩(wěn)定的離子晶體結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)負(fù)離子電荷數(shù)等于或近似等于相鄰正離子分配給這個(gè)負(fù)離子的靜電鍵強(qiáng)度的總和，其偏差≤1/4價(jià)”。靜電鍵強(qiáng)度S=正離子數(shù)Z+/正離子配位數(shù)n，則