材料化學第二版(曾兆華版)課后答案

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)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

鍵

特點形成晶體的特點

強

高熔點、高強度、高硬度、

無飽和性、無方向性、最低膨脹系數(shù)、塑性較差、

離子鍵

高配位數(shù)。強固態(tài)不導電、熔態(tài)離子導

電。

高熔點、高強度、高硬度、

有飽和性、有方向性、

共價鍵強低膨脹系數(shù)、塑性較差、

低配位數(shù)

在熔態(tài)也不導電。

電子共有化，可以自

較塑性較好、有光澤、良好

金屬鍵由流動；無飽和性、

強的導熱、導電性。

無方向性、配位數(shù)高

無飽和性、無方向性

范德華最

鍵弱

氫鍵有飽和性、有方向性弱

3.計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M=Ma=>a=R

V3

匕_2(4切?3/3)_2(4?3/3)=0

=

"6輸'/"(4〃/府一

c=578/

3=27?

(3)醺，沖別成3/3)6(4//3)

6cda?—a)12凡8(彳,揚

22V3

n=4

4R=岳=>a_4R

V2

匕_4(4切?3/3)=43”)=07

梟=

a(4A/揚3

10.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，密度

=gcm-3,原子半徑r二,計算Mn晶胞中有幾個原子，其堆積

系數(shù)為多少

ftM

p=----------

"alNA

=7.26xg326xx6.02)10*'

54.94

=20.I39豐20假

每簞位晶胞有20I0原子。

4

20xw2

堆稹因子:---5-----------

粵nX(1.12A),

"(6.326X)'

=0.46493

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：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)；

⑴均一性：溶液各處的密度、組成和性質(zhì)完全一樣；

⑵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；

⑶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?。?/p>

"=勺二2x100%,Ar<15%,形成連續(xù)固溶體；15%<Ar<

30%,形成有限固溶體；>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。

晶體的晶胞棱長為，試計算NaCI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分子柔順。

PB>PEIR>PPPVOCR

b主鏈含有苯環(huán)的高分子和有共機雙鍵的高分子柔順性差。

聚苯能(PP0)

聚苯

聚乙烘

(2)雜鏈高分子和元素高分子：

Si-0>C-N>C-0>C-C

硅橡膠尼龍類酯類烯類

側(cè)基一側(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>聚乙烯基咔哇

當側(cè)基對稱時，柔順性增加.

PP<PIB

支化與交聯(lián)

(1)支化：

長支化一一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。

短支化一一分子鏈間距離增大，柔順性增加。

(2)交聯(lián):

輕度交聯(lián)一一不影響鏈的活動能力，柔順性不變。

高度交聯(lián)一一鏈的活動受阻，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噫唾

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

膽給型液晶態(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+O2TCO2的斜率

為0,反應(yīng)2C+02=2C0的斜率為負，請解釋原因。

△G°=AH°-TAS0ZiG。與溫度T關(guān)系式的斜率為-Z\S°

C(s)+02(g)TCO2(g)

氧化過程氣體數(shù)目不變，則△S°=0,(-AS0)=0,斜率為零。

=

2C(s)+O2(g)2C0(g)

氧化過程氣體數(shù)目增加，則△S°>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)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

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：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1um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。

⑵厚度約1|im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

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。

法沉積SiO: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SiO：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)4一Si02+C2H4+H20

(2)硅化合物的氧化反應(yīng)：SiCL(g)+02(g)->SiO2(s)+2C12(g)

SiH4(g)+02(g)->Si02(s)+2H2(g)

SiC14(g)+2C02+2H2(g)T

SiO2(s)+4HC1(g)+2C0(g)

(3)硅化合物的水解反應(yīng)：SiClKg)+2H20(g)->Si02(s)+4HC1(g)

9.用什么方法可以對Cu和Cu2O進行分離寫出相關(guān)化學方程式。

答：對Cu和CwO進行分離，可以采用化學氣相輸運技術(shù)，以HCI作

c，、-，、?$00℃、1-，、

為輸運氣體。過程Cu(s)+HCl(g)<2CuCl(g)+H2(g).Q

50TC2

中發(fā)生如下反應(yīng)：cup(s)十2IICl(g)<==^2CuCl(g)+II2(g)+Q

L900C

由于從CwO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Cu和Cu20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：用均勻沉淀法合成ZnS顆粒，可以采用硫代乙配胺(CH3CSNH3)作為

硫源，以乙酸鋅(CHsCOO'Zn)為原料制得，反應(yīng)方程式如下：

CH3CSNH2tCH3CN+H2s(CH3COO)2Zn+H2ST

ZnS+2CH3COOH

12.有兩種活化能分別為Q尸mol和Q2=251KJ/mol的擴散反應(yīng)。觀察在

溫度從25℃升高到600℃時對這兩種擴散的影響，并對結(jié)果做出評

述。

k二Aexp(-AGk/RT)D=Doexp(-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)生的條件是什么

①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。

②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型巖鹽型螢石反螢石閃鋅礦型金紅石型

化學組成比n7n1:11:11:22:11:11:2

立方最簡單立立方最密

負離子堆積方式

密堆積方堆積堆積

正負離子配位數(shù)

6:68:44:81:16:3

比CN7CN

實例

CsClNaClCaF2Na2OZnS

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

Y奧氏體相區(qū)：NJESGN

a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

液相線

L+6tABCD

1538PA固相線：AHJEC

五個單相區(qū)：

149^C一

[)ABCD以上液相R

(L)

溫

度卜AHNA—5固溶體

(5)

NJESGF4—

912P-相區(qū)(V或A)

GPQG—鐵素體木

727P'區(qū)(?；駻)

DFKL—濰硬體桿

(Fe3C)

0.000869

Fec%

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

鍵

特點形成晶體的特點

強

高熔點、高強度、高硬度、

無飽和性、無方向性、最低膨脹系數(shù)、塑性較差、

離子鍵

高配位數(shù)。強固態(tài)不導電、熔態(tài)離子導

電。

高熔點、高強度、高硬度、

有飽和性、有方向性、

共價鍵強低膨脹系數(shù)、塑性較差、

低配位數(shù)

在熔態(tài)也不導電。

電子共有化，可以自

較塑性較好、有光澤、良好

金屬鍵由流動；無飽和性、

強的導熱、導電性。

無方向性、配位數(shù)高

范德華最

無飽和性、無方向性

鍵弱

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+O2TCO2的斜率

為0,反應(yīng)2CH)2=2C0的斜率為負，請解釋原因。

△G°=AH°-TAS0與溫度T關(guān)系式的斜率為-aS。

C(s)+02(g)-?CCb(g)

氧化過程氣體數(shù)目不變，則△S°=0,(-AS0)=0,斜率為零。

=

2C(s)+。2(g)2C0(g)

氧化過程氣體數(shù)目增加，則△S°>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