材料化學(xué)習(xí)題解答資料

原子，為使排斥能最小它們將交叉排列，即每個(gè)Cl原子在相鄰2個(gè)Cl原子的空隙處。這樣分子鏈沿C-C鍵的扭曲縮小了鏈周期。5．試表達(dá)劃分正當(dāng)點(diǎn)陣單位所依據(jù)的原那么。平面點(diǎn)陣有哪幾種類型與型式?請(qǐng)論證其中只有矩形單位有帶心不帶心的兩種型式，而其它三種類型只有不帶心的型式?答：劃分正當(dāng)點(diǎn)陣單位所依據(jù)的原那么是：在照顧對(duì)稱性的條件下，盡量選取含點(diǎn)陣點(diǎn)少的單位作正當(dāng)點(diǎn)陣單位。平面點(diǎn)陣可劃分為四種類型，五種形式的正當(dāng)平面格子：正方，六方，矩形，帶心矩形，平行四邊形。〔a〕假設(shè)劃分為六方格子中心帶點(diǎn)，破壞六重軸的對(duì)稱性，實(shí)際上該點(diǎn)陣的對(duì)稱性屬于矩形格子?！瞓〕〔c〕分別劃分為正方帶心和平行四邊形帶心格子時(shí)，還可以劃分成更小的格子?！瞕〕如果將矩形帶心格子繼續(xù)劃分，將破壞直角的規(guī)那么性，故矩形帶心格子為正當(dāng)格子。6．什么叫晶胞，什么叫正當(dāng)晶胞，區(qū)別是什么?答：晶胞即為空間格子將晶體結(jié)構(gòu)截成的一個(gè)個(gè)大小，形狀相等，包含等同內(nèi)容的根本單位。在照顧對(duì)稱性的條件下，盡量選取含點(diǎn)陣點(diǎn)少的單位作正當(dāng)點(diǎn)陣單位，相應(yīng)的晶胞叫正當(dāng)晶胞。7．試指出金剛石、NaCl、CsCl晶胞中原子的種類，數(shù)目及它們所屬的點(diǎn)陣型式。答：原子的種類原子的數(shù)目點(diǎn)陣型式金剛石C8立方面心NaClNa+與Cl-Na+：4，Cl-：4立方面心CsClCs+與Cl-Cs+：1，Cl-：1簡單立方8．四方晶系的金紅石晶體結(jié)構(gòu)中，晶胞參數(shù)為a=b=4.58?，c=2.98?，α=β=γ=90o,求算坐標(biāo)為〔0,0,0〕處的Ti原子到坐標(biāo)為〔0.31,0.31,0〕處的氧原子間的距離。解：根據(jù)晶胞中原子間距離公式d＝[(x1-x2)2*a+(y1-y2)2*b+(z1-z2)2*c]1/2，得d＝[(0.31-0)2*a+(0.31-0)2*a+(0-0)2*c]1/2＝0.31*21/2*4.58?＝2.01?第二章1、天然或絕大局部人工制備的晶體都存在各種缺陷，例如，在某種氧化鎳晶體中就存在這樣的缺陷：一個(gè)Ni2+空缺，另有兩個(gè)Ni2+被兩個(gè)Ni3+所取代。其結(jié)果晶體仍然呈電中性，但化合物中Ni和O的原子個(gè)數(shù)比發(fā)生了變化。試計(jì)算樣品組成為Ni0.97O時(shí)該晶體中Ni3+與Ni2+的離子數(shù)之比。解：設(shè)晶體中Ni3+的離子數(shù)為a，Ni2+的離子數(shù)為b。根據(jù)題意：答：該晶體中Ni3+與Ni2+的離子數(shù)之比為6：91。2、氧化鐵Fex0(富士體)為氯化鈉型結(jié)構(gòu)，在實(shí)際晶體中，由于存在缺陷，x＜15.7g/cm3，用MoKα射線〔λ=71.07pm〕測得其面心立方晶胞衍射指標(biāo)為200的衍射角θ=9.56°〔sinθ=0.1661,Fe的相對(duì)原子質(zhì)量為55.85〕?！瞐〕計(jì)算Fex0的面心立方晶胞參數(shù)?！瞓〕求x值?！瞔〕計(jì)算Fe2+和Fe3+各占總鐵質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。〔d〕寫出說明鐵的價(jià)態(tài)的化學(xué)式。解：〔a〕〔c〕設(shè)0.92mol鐵中Fe2+的摩爾數(shù)為y，那么Fe3+的摩爾數(shù)為〔0.92-y〕，根據(jù)正負(fù)離子電荷平衡原那么可得：即Fe2+和Fe3+的摩爾數(shù)分別為0.76和0.16，他們?cè)诳傝F中的摩爾百分?jǐn)?shù)分別為：〔d〕富士體氧化鐵的化學(xué)式為。3、NiO晶體為NaCl型結(jié)構(gòu)，將它在氧氣中加熱，局部Ni2+將氧化為Ni3+，成為NixO(x＜1)。今有一批NixO6.47，用波長λ=154pm的X射線通過粉末法測得立方晶胞111衍射指標(biāo)的θ=18.71°〔sinθ=0.3208〕?！睳i的相對(duì)原子質(zhì)量為58.70〕1molg??〔a〕計(jì)算NixO的立方晶胞參數(shù)；〔b〕算出x值，寫出標(biāo)明Ni的價(jià)態(tài)的化學(xué)式?！瞔〕在NixO晶體中，O2-堆積方式怎樣？Ni在此堆積中占據(jù)哪種空隙？占有率〔即占有分?jǐn)?shù)〕是多少？〔d〕在NixO晶體中，Ni-Ni間最短距離是多少？解：〔a〕NixO的立方晶胞參數(shù)為：〔b〕因?yàn)镹ixO晶體為NaCl型結(jié)構(gòu)，可得摩爾質(zhì)量M：而NixO的摩爾質(zhì)量又可以表示為：由此解得：x=0.92。設(shè)0.92mol鎳中有ymolNi2+，那么有〔0.92-y〕molNi3+。根據(jù)正負(fù)離子電荷平衡原那么，有：2y+3(0.92-y)=2y=0.760.92-0.76=0.16所以該氧化鎳晶體的化學(xué)式為：(c)晶體既為NaCl型結(jié)構(gòu)，那么O2-2-的堆積方式與NaCl中的Cl-O2-圍成的八面體空隙。而鎳離子的占有率有92%?！瞕〕鎳離子分布在立方晶胞的體心和棱心上，Ni-Ni間最短距離即體心上和任一棱心上2個(gè)鎳離子間的距離，它等于：Ni-Ni間最短距離也等于處在交于同一頂點(diǎn)的2條棱中心上的2個(gè)鎳離子間的距離，：第三章1答：〔1〕金屬中鍵型是金屬鍵，由于金屬元素的電負(fù)性一般都比擬小，電離能也較小，最外層家電子很容易脫離原子的束縛而在金屬晶粒中由各個(gè)正離子形成的勢場中比擬自由的運(yùn)動(dòng)，形成自由電子。金屬晶體中各金屬原子的價(jià)電子公有化于整個(gè)金屬大分子，所有成鍵點(diǎn)子可在整個(gè)聚集體中流動(dòng)，而共同組成了離域的N中心鍵。在金屬晶體中沒有定域的雙原子鍵，也不是幾個(gè)原子間的離域鍵，而是所有原子都參加了成鍵，這些離域電子在三維空間中運(yùn)動(dòng)，離域范圍很大?！?2、指出A1型和A3答：A1型為立方F，晶胞中球的數(shù)目為4。球的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)A3型為六方P格子，晶胞中的球的數(shù)目為2。求的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為3、試比擬A1和A3型結(jié)構(gòu)的異同，指出A1和A3答：A1ABCABC……。A3性結(jié)構(gòu)重復(fù)周期為二層，可畫出六方晶胞，為六ABAB……A1、A3型堆積中原子的配位數(shù)皆為12，中心原子與所有配位原子都接觸，同層6個(gè)，上下兩層各3個(gè)。所不同的是，A1型堆積中，上下兩層配位原子沿C3軸的投影相差60度呈C6軸的對(duì)稱性，而A3堆積中，上下兩層配位原子沿c軸的投影互相重合。附表：金屬的結(jié)構(gòu)型式A1A2A3原子的堆積系數(shù)74.05%68.02%74.05%所屬晶系立方立方六方晶胞形式面心立方體心立方六方晶胞中原子的坐標(biāo)參數(shù)0，0，0；0,,；,,0;,0,0，0，0；,,0，0，0；,,晶胞參數(shù)與原子半徑的關(guān)系a=Ra=Ra=b=2Rc=R點(diǎn)陣形式面心立方體心立方簡單六方5、用固體能帶理論說明什么是導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體？參考：金屬離子按點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)有規(guī)那么的排列著，每一離子帶有一定的正電荷。電子在其間運(yùn)動(dòng)時(shí)與正離子之間有吸引勢能，而且電子所處的位置不同，與正離子之間的距離不同，勢能的大小就不同。因此，電子實(shí)際是在一維周期性變化的電場中運(yùn)動(dòng)。電子除直線運(yùn)動(dòng)外，在正電荷附近還要做輕微的振動(dòng)。當(dāng)電子的deBroglie波在晶格中進(jìn)行時(shí)，如果滿足Bragg條件nλ=2dsinθ時(shí)，要受到晶面的反射，因而不能同過晶體，使原有能級(jí)一分為二，這種能級(jí)突然上升和下降時(shí)能帶發(fā)生斷裂。已充有電子，能帶完全被電子所充滿叫滿帶。帶中無電子，叫空帶。能帶中有電子單位充滿叫導(dǎo)帶。各能帶的間隙是電子不能存在的區(qū)域，叫禁帶。在導(dǎo)體中，具有導(dǎo)帶。在外電場作用下，導(dǎo)帶中的電子改變了在該能帶不同能級(jí)間的分布狀況，產(chǎn)生了電子流。絕緣體的特征是只有滿帶和空帶，而且禁帶很寬。滿帶與空帶的能級(jí)差大于5eV，一般的激發(fā)條件下，滿帶中的電子不能躍入空帶，即不能形成導(dǎo)帶。這就是絕緣體不能導(dǎo)電的原因。半導(dǎo)體的特征也是只有滿帶和空帶，但滿帶與空帶間的禁帶距離很窄，一般小于3eV。在一般的激發(fā)條件下，滿帶中的電子較易躍入空帶，使空帶中有了電子，滿帶中有了空穴，都能參與導(dǎo)電。由于需克服禁帶的能量間隙，電子跳躍不如導(dǎo)帶那樣容易，因而電阻率也比導(dǎo)體高得多。9、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632pm，原子半徑r=112pm，計(jì)算Mn晶胞中有幾個(gè)原子，其空間占有率為多少？解：∵M(jìn)n為立方結(jié)構(gòu)，∴∴設(shè)晶胞中有n個(gè)原子，∴n=20答：Mn晶胞中有20個(gè)原子，其空間占有率為46.6%。11、固溶體與溶液有何異同？固溶體有幾種類型？參考：所謂金屬固溶體，就是兩種或多種金屬或金屬化合物相互溶解組成的均勻物相，其中組分的比例可以改變而不破壞均勻性。少數(shù)非金屬單質(zhì)如H、B、C、N等也可溶于某些金屬，生成的固溶體仍然具有金屬特性。存在三種結(jié)構(gòu)類型不同的固溶體：置換固溶體、間隙固溶體、缺位固溶體。第四章1、試用熱化學(xué)求KCl晶體的點(diǎn)陣能，所需要的數(shù)據(jù)如下表所示。物理量ΔH生成ΔH升華IKΔH分解YCl數(shù)值/kJ·mol-1-43584418243-368解：根據(jù)Hess定律2、KCl晶體具有NaCl型結(jié)構(gòu)，晶胞棱長628pm。試計(jì)算KCl晶體的點(diǎn)陣能，并與上題所求的結(jié)果比擬。解：根據(jù)將NA、e、ε0等按國際單位所給數(shù)值代入，得KCl具有NaCl晶型，即A=1.748，又Z+=Z—=1，=9所以3、從理論計(jì)算公式計(jì)算NaCl與MgOde晶格能。MgO的熔點(diǎn)為2800℃，NaCl為801℃，請(qǐng)說明這種差異的原因。解：NaCl、MgO同屬于NaCl型結(jié)構(gòu)，根據(jù)將NA、e、ε0等按國際單位所給數(shù)值代入對(duì)于NaCl，R0=279pm=2.79×10-10mZ+=Z-=1m=〔7+9〕/2=8所以對(duì)于MgO，R0=210pm=2.10×10-10mZ+=Z-=2m=〔7+7〕/2=7所以參考：晶格能的大小，可以表示離子鍵的強(qiáng)弱。晶格能越大，表示離子鍵越強(qiáng)，離子晶體的熔點(diǎn)也就越高。因?yàn)閁MgO＞UNaCl,，所以mpMgO＞mpNaCl。8、試就負(fù)離子堆積方式與正離子所占間隙的種類與分?jǐn)?shù)比擬NaCl型與ZnS型結(jié)構(gòu)之異同，比擬CsCl和CaF2型結(jié)構(gòu)之異同。答：結(jié)構(gòu)類型負(fù)離子堆積方式正離子填隙種類和分?jǐn)?shù)類型分?jǐn)?shù)NaClA1正八面體1ZnS立方A1正四面體1/2六方A3正四面體1/2CsCl簡單立方立方體1CaF2簡單立方立方體19、由離子半徑計(jì)算CsBr和NaBr的半徑比并推測晶體離子的配位數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)形式。答：晶體類型離子半徑比〔R+/R-〕晶體離子配位數(shù)正離子負(fù)離子晶體結(jié)構(gòu)形式CsBr0.8528-8CsCl型NaBr0.5206-6NaCl型10、BeO和MgO晶體的結(jié)構(gòu)分別屬于六方ZnS和NaCl型，試從離子半徑比與配位數(shù)關(guān)系推測BeO和MgO的晶體結(jié)構(gòu)形式，并與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比擬。答：晶體類型離子半徑比〔R+/R-〕晶體離子配位數(shù)正離子負(fù)離子推知晶體類型BeO0.3214-4六方ZnSMgO0.5146-6NaCl型11、表達(dá)Goldschmidt結(jié)晶化學(xué)定律，并扼要說明它的含意。參考：晶體的結(jié)構(gòu)形式取決于其組成者的數(shù)量關(guān)系、大小關(guān)系和極化性能，組成者系指原子、離子或原子團(tuán)。影響晶體結(jié)構(gòu)形式包含以下幾個(gè)因素：〔1〕正負(fù)離子的相對(duì)大小〔半徑比R+/R-〔2〕正負(fù)離子的相對(duì)數(shù)量〔組成比n+/n-〔3〕離子的極化引起鍵形以及結(jié)構(gòu)形式的變異12、什么是金屬原子半徑、離子半徑、共價(jià)半徑、vandewaals半徑，他們有何不同？舉例說明。金屬原子半徑：用X射線衍射法可以測定金屬單質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從金屬晶體的晶胞參數(shù)可以求出兩個(gè)鄰近金屬原子間的距離，他的一半就是原子半徑。金屬原子半徑隨配位數(shù)不同稍有變化，配位數(shù)高，半徑大。離子半徑：在離子晶體中，相鄰的正負(fù)離子間存在著靜電吸引力和離子外層電子云相互作用的排斥力，當(dāng)這兩種作用力達(dá)成平衡時(shí)，離子間保持一定的接觸距離。假設(shè)將離子近似的看作具有一定半徑的彈性球，兩個(gè)相互接觸的球形離子的半徑之和即等于核間的平衡距離，這就是一般所說的離子半徑的意義。Vandewaals半徑：代表相鄰分子中原子之間最小接觸距離的平均值。13、CF4和PF3具有相同的電子數(shù)〔42個(gè)〕和相對(duì)分子質(zhì)量〔88〕，但CF4的熔沸點(diǎn)〔-184℃，-128℃〕均較PF3〔-151.5℃，-101.5℃〕低，說明原因。答：CF4和PF3都有色散力。PF3是極性分子，除了具有色散力外還有靜電力和誘導(dǎo)力；而CF4是非極性分子，只有色散力。所以CF4的熔沸點(diǎn)均較PF3低。14、將水分子看作球體，并假設(shè)堆積系數(shù)〔空間占有率〕為0.6，液態(tài)水中每個(gè)水分子的半徑多大？答：液態(tài)水中1個(gè)水分子占據(jù)體積為30.0×10-24cm3〔由摩爾體積/NA得到〕設(shè)液態(tài)水中每個(gè)水分子半徑為r，那么15、試解釋為什么綠寶石〔Be3Al2[Si6O18]〕和透輝石〔CaMg[Si2O6]〕中的nSi:nO都為1：3，而前者為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，后者為鏈狀結(jié)構(gòu)。參考：綠寶石的硅酸鹽骨架為分立型，結(jié)構(gòu)中含有孤立的硅氧骨干[Si6O18]，由六個(gè)SiO4基的環(huán)存在于綠寶石中。透輝石的硅酸鹽骨架為鏈型，結(jié)構(gòu)中每個(gè)[SiO4]四面體公用2個(gè)頂點(diǎn)，連成一無限長鏈。17、試畫出環(huán)氧乙烷的分子模型，估計(jì)他們的最小直徑，3A型分子篩的孔徑約為330pm，估計(jì)一下能否用作環(huán)氧乙烷的枯燥劑，如果改用5A型分子篩呢？答：原子CHO共價(jià)半徑〔pm〕773273范式半徑〔pm〕172120140電負(fù)性〔xp〕2.552.203.44O-HC-OC-CC-H鍵長93.8142154105.9這些計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測定值有的接近，有的差異較大，以下列圖分子形狀是按實(shí)測鍵參數(shù)和范式半徑畫出來的由圖可見，水分子和環(huán)氧乙烷分子的最小直徑約為320pm和440pm。因此，水分子能夠進(jìn)入3A分子篩孔道而環(huán)氧乙烷不能。所以，3A分子篩對(duì)環(huán)氧乙烷有枯燥作用。但由于水分子的最小直徑與3A分子篩孔徑相差較小，因此脫水效果不會(huì)太好。5A分子篩的孔徑和環(huán)氧乙烷分子最小直徑非常接近，有可能也吸附環(huán)氧乙烷，因此不適用來枯燥環(huán)氧乙烷。第5章習(xí)題答案3．何為晶態(tài)高聚物？高聚物可形成哪些形態(tài)的晶體？由于結(jié)晶條件不同，結(jié)晶性高聚物可以形成形態(tài)不同的宏觀或亞微觀晶體，單晶，樹枝晶，伸直鏈晶體，纖維狀晶體，串晶等。組成這些晶體的晶片根本上有兩類：折迭鏈晶片和伸直鏈晶片。7．比擬以下兩種聚合物的柔順性，并說明為什么。解：聚氯丁二烯的柔順性好于聚氯乙烯，所以前者用作橡膠而后者用作塑料。聚氯乙烯有極性的側(cè)基Cl，有一定剛性。聚氯丁二烯雖然也的極性取代基Cl，但Cl①鍵角較大〔120°而不是109.5°〕；②雙鍵上只有一個(gè)H或取代基，而不是兩個(gè)。指出高聚物結(jié)晶形態(tài)的主要類型，并簡要表達(dá)其形成條件。答：單晶：只能從極稀的高聚物溶液中緩慢結(jié)晶得到。球晶：從濃溶液或熔融體冷卻時(shí)得到。纖維狀晶〔串晶〕：在應(yīng)力下得到。伸直鏈晶體：極高壓力下緩慢結(jié)晶得到。第6章習(xí)題答案納米的根本涵義是什么?簡述為什么納米材料會(huì)表現(xiàn)出許多前所未有的新特性?答：納米材料是指晶粒尺寸為納米級(jí)(10-9米)的超細(xì)材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為100~102nm。它包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩個(gè)局部：一是直徑為幾個(gè)或幾十個(gè)納米的粒子二是粒子間的界面。前者具有長程序的晶狀結(jié)構(gòu)，后者是既沒有長程序也沒有短程序的無序結(jié)構(gòu)。由于納米材料具有顆粒尺寸小、比外表積大、外表能高、外表原子所占比例大等特點(diǎn)，納米材料具有傳統(tǒng)材料所不具備的奇異或反常的物理、化學(xué)特性，如原本導(dǎo)電的銅到某一納米級(jí)界限就不導(dǎo)電，原來絕緣的二氧化硅、晶體等，在某一納米級(jí)界限時(shí)開始導(dǎo)電。即納米材料顯現(xiàn)出納米效應(yīng)，具體表現(xiàn)為三大效應(yīng)：外表效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。納米材料可分為哪幾類?答：納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開發(fā)時(shí)間最長、技術(shù)最為成熟，是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的根底。納米粉末又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在100比擬小尺寸效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象，以及納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)能級(jí)和最低空軌道(LUMO)能級(jí)而使能隙變寬的現(xiàn)象，均稱為量子尺寸效應(yīng)。答：各種實(shí)驗(yàn)說明，碳納米管的管壁是一種類似于石墨片的碳六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但有扭曲