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材料化学知识要点与习题解答第一章 绪论1.材料：人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质。（可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。） 或材料是具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。2.材料化学：在分子结构层次上研究材料的合成、制备、理论，以及分子结构和聚集态结构、材料性能之间关系的科学。3.智能材料：能够随着环境、时间的变化改变自己的性能或状态一类新型功能材料。4.在先进材料、电子信息技术、生物技术三大未来高技术领域中，先进材料中的先进陶瓷和高分子基质材料将于今后25年内在世界上发挥重大作用，并可能是美国在国际生产和技术竞争中保持强力地位的关键技术领域。5.在第四代材料（可设计材料）中，最具代表性的是复合材料。6.按照材料的化学组成材料可以分为哪几类？答：按照材料化学组成，可以分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料。7.按照材料的性能材料可以分为哪几类？答：按照材料的性能，可以分为（结构材料）和（功能材料）。8.材料的结构分为哪几个层次？请举例说明。答：材料的有效性总体上可以分为分子结构、分子聚集态结构和构成材料的外形结构等三个层次。分子结构：属于原始基础结构，决定材料所具有的潜在功能；分子聚集态结构：决定材料所具有的可表现的实际功能；构成材料的外形结构：决定材料具有某种特定的有效功能。 例如贝克，贝壳的基本性质由构成它的碳酸钙和多糖基质（材料的分子结构）的结构决定，但二者通过有序组装（材料的聚集态结构）构成的复合材料决定了它的基本材料性质。而且只有当这种材料构成一定的壳状结构（材料的外形结构）时，它才能起到贝壳的作用。9.何为材料科学研究的四要素？答：材料科学研究的四要素是指材料的 “基本性质”、“结构与成分”、“合成与加工”、“使用性能”。基本性质：主要指材料的物理和化学性能等，用以确定材料功能特性和效用的描述；结构与成分：主要指材料的化学组成，物理和化学结构，用以确定制造每种特定材料所采取的合成和加工的结果；合成与加工：主要指建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺寸上（从原子 尺寸 到宏观尺寸）对结构的控制，以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程；使用性能：主要指材料固有性质同产品设计、工程能力和人类需求相融合要一起的一个要素。10.简述材料发展的历史阶段及其主要特征。答：材料的产生与发展经历了五个历史阶段：天然材料（第一代）（石器时代）、烧炼材料（第二代）（青铜器时代、.铁器时代、陶瓷时代）、合成材料（第三代）、可设计材料（第四代）和智能材料（第五代）。11.对新一代材料的主要要求是什么？答：对新一代材料的主要要求有以下几点：（1）既是结构材料又具有多种功能的材料；（2）具有感知、自我调节和反馈等能力的智能型材料；（3）制作和废弃过程中尽可能减少污染的绿色材料；（4）充分利用自然资源，能循环作用的可再生性材料；（5）少维修或不维修的长寿命材料。第二章 晶体学基础1.晶体：晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。（具有格子构造的固体）2.周期性：一定数量和种类的粒子（或粒子集团）在空间排列时，在一定的方向上，相隔一定的距离重复出现的现象。3.点阵理论：用点阵的性质来探讨晶体的几何结构的理论。4.点阵：反映结构周期性的几何形式。5.平移群：反映结构周期性的代数形式。6.晶轴系：晶胞中三个互不平行的棱构成的天然合理的空间坐标系。7.正当点阵单位：对称性高含阵点数少的点阵单位。8.理想晶体：按照点阵式的周期性在空间无限伸展的晶体。9.空间点阵：表示晶体结构中各类等同点排列规律的几何图形。（表示晶体内部结构中质点重复规律的几何图形。）10.晶向：空间点阵的结点可以看成是在一系列相互平行的直线上，这些直线系称为晶列，同一个格子可以形成方向不同的晶列，每个晶列定义了一个方向，称为晶向。11.晶面：空间点阵的结点可以从各个方向被划分成许多组平行且等距的平面点阵，这些平面点阵所处的平面称为晶面。12.肖特基缺陷：正常各点上的质点，在热起伏过程中获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面，而在晶体内部正常格点上留下空位。13.弗伦克尔缺陷：在晶格热振动时，一些能量较大的质点离开平衡位置后，进入到间隙位置，形成间隙质点，而在原位置上形成空穴。14.单晶：基本上为一个空间点阵所贯穿的晶体。 15.孪晶：一块晶体由2个或几个单晶按不同取向结合而成。有时候把它也看作为单晶的一种。 16.多晶：多数微小晶体颗粒的聚集态。 17.同质多晶：同一化合物存在两种或两种以上不同的晶体结构形式。18.类质同晶：在两个或多个化合物中，化学式相似，晶体结构型式相同，并能互相置换。19.对称：指物体中相同部分作有规律的重复。（或一个物体包含若干等同部分，对应部分相等）20.对称操作：不改变图形中任意两点间距离而能使图形复原的操作。21.对称元素：对称操作作据以进行的几何元素（点、线、面等）。22.点群：晶体结构中所有点对称元素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反演轴）的集合。23.空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素的聚合。24.衍射：晶体中各原子散射的电磁波互相干涉、互相叠加，从而在某方向上得到加强的现象。25.点缺陷可以分为：空位、杂质原子、错位原子、变价原子等四种类型。26.晶体的对称要素中点对称要素的种类有：对称面、对称中心、对称轴和旋转反演轴，含有平移操作的对称要素种类有：旋转轴、滑移面。27.所有晶体结构的空间点阵可以分成十四种类型的空间格子，这14种空间格子称为布拉菲格子。28.晶族、晶系、点阵、布拉菲格子、空间群的数目分别是：3、7、32、14、230。29. 根据相应的对称性特征，可以把所有晶体的空间点阵划归为七类，即七大晶系，包括：立方、六方、四方、三方、正交、三斜和单斜等。30.晶体中的结构缺陷按照尺寸范围分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。31.位错是在滑移面上局部滑移区的边界，位错分为刃位错和螺位错，刃位错的方向与滑移的方向垂直，螺位错的方向与滑移的方向平行。32.晶体中存在有8种独立的宏观对称要素，分别是：i，m，1，2，3，4，6，433.晶体中的缺陷按几何位置和成分可分为：空间、间隙质点、杂质原子，按其形成的原因可分为本征缺陷或热缺陷、非本征缺陷或杂质缺陷和非化学计量缺陷。34.点阵结构、结构基元和点阵的关系可以概括为 点阵结构=点阵+结构基元 。35.点阵是周期性重复的方式 ，结构基元是周期性重复的内容 。习题解答1.晶体与非晶体的主要区别是什么？答：晶体与非晶体的主要区别是：晶体具有长程有序，而非晶体（长程无序、短程有序）。2. 晶体有哪些宏观特征，请举例说明。答：晶体有规则的几何外形（如食盐、石英、明矾等分别具有立方体、六角体和八面体的几何外形），晶面角守恒，有固定的熔点，物理性质各向异性（云母和方解石具有完好的解理性）3.何为晶体结构的二要素？答：晶体周期性结构的二要素是指：周期性重复的内容-结构基元和周期性重复的方式-周期的大小和方向4.何为晶胞，晶胞的二要素？答：晶胞：空间格子将晶体结构截成一个个大小、形状相等，包含等同内容的基本单位。晶胞的二要素：晶胞的大小和形状-相应点阵单位的基本向量的大小和方向；晶胞所含内容-晶胞内原子的种类、数量、位置。5.平面正当点阵单位有哪几种形状和哪几种型式？答：平面点阵的正当单位有四种形状（正方、矩形、六方、平行四边）五种型式（正方、六方、简单矩形、带心矩形、平行四边形） ：6.晶体为什么会产生缺陷？答：晶体产生缺陷的原因主要有：（1）实际晶体中的微粒总是有限的；（2）存在着表面效应；（3）存在着表面效应；（4）粒子热运动；（5）存在着杂质。7.为什么要研究晶体的缺陷？答：晶体材料的导电、半导体、发色（色心）、发光、扩散、烧结、固相反应等都与晶体的缺陷有关。8.简述晶体与非晶体间转化的特点。答：非晶态是一种亚稳态，所以非晶态固体有向晶态自发转化的趋势，但当温度不够高时，非晶态中的原子（离子）的运动幅度较小，同时晶核的形成和生长都比较困难，因此非晶态向晶态的转化就不易发生。另外，非晶态向晶态的转化要经过一些中间步骤，且变带有突变的特征，一般伴随有幅度不大的体积变化。晶态向非晶态的转化：可以通过一些机械能，如材料表面的研磨和破碎、冲击波作用等，机械能的作用破坏警惕的长程有序。9.晶体的缺陷中，两类典型的缺陷是什么？各自有什么特点？答：肖特基缺陷，特点：离子晶体中的肖特基缺陷是等量的正离子空位和负离子空位成对出现。 弗伦克尔缺陷，特点： 间隙质点与空位总是成对出现，正离子弗伦克尔缺陷和负离子弗伦克尔缺陷之间没有直接联系，离子晶体中的弗伦克尔缺陷一般是正离子空位和间隙正离子。10.晶体中可能存在的宏观对称要素和相应的对称操作有哪些？11.找出一个立方体具有的所有旋转轴。答：具有3个互相垂直的4度旋转轴，4个3度轴（即体对角线），6个2度轴（即面对角线）。（另外还有：3个与4度轴垂直的对称面，6个与2度轴垂直的对称面，以及1个对称中心）EC21v2v2vC2E2v1v1v1v2vEC2C22v1vC2EE2v1vC2E12.请根据水分子的结构，写出其对称元素和对称操作及相应的乘法表。解：根据水分子的结构，可以得到其乘法表如下13.请根据NH3分子的结构，写出其对称元素和对称操作及相应的乘法表。解：NH3的结构如下：C3, C23, E, a , b, c 构成了一个 C3v群第三章 金属材料1. 金属键：金属离子与自由电子之间的强烈的相互作用。2.合金：指两种或两种以上的金属（或金属与某些非金属）经熔合后形成的宏观均匀体系。3.金属固溶体：一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态晶体。3.置换固溶体：溶质原子替换溶剂原子的位置形成的固溶体。4.间隙固溶体：溶质原子填入溶剂晶格间隙中形成的固溶体。5.单向合金：只有一个相的合金。6.多相合金：具有两个或两个以上相的合金。7.晶须：晶须是一种针状单晶体材料，其直径为零点几至几个微米，长度为几微米至数百微米。在单晶体中的原子排列非常整齐，几乎是一种理想的晶体。8.一般说来，很多金属的生物相容性都不好，但钛的生物相容性较好，被认为是亲生物的金属。9.紧密堆积的空间占有率为74.05%，立方体心密堆积的空间占有率为68.02%。10.按照组元在固溶体中的溶解度，可分为 有限固溶体 和无限固溶体。11.淬火是让金属快速冷却，其目的是让金属获得无序结构；退火是让金属缓慢冷却，其目的是让金属获得有序结构。12.钢是一种铁与碳组成的间隙固溶体。13.铁有四种变体，其中、变体具有A2型结构，变体具有A1型结构。14.组成钢铁的物相除石墨外主要有下面四种含铁物相：奥氏体、铁素体、渗碳体和马氏体等。15.奥氏体是碳在Fe中形成的间隙固溶体。16.铁素体是碳在-Fe中形成间隙固溶体。17.渗碳体是铁和碳组成比为3:1的化合物，碳的质量分数为6.67，化学式为Fe3C。18.马氏铁是碳在-Fe中的过饱和间隙固溶体，在Fe中含碳量可达1.6wt.。19.硬铝是在铝中主要添加了Mg和Cu，溶于其中形成固溶体。20.超强硬铝是在铝中添加有Zn、Mg、Cu等元素。习题解答1.金属有哪些基本特性？答：金属的主要特性有：（1）常温下大多为固体（汞除外）；（2）不透明，有光泽；（3）良导体（热、电）；（4）延展性（可拉成细丝，碾成薄片）2.金属晶体有何特点？答：由于金属元素的电负性一般都比较小，电离能也比较小，最外层价电子很容易脱离原子的束缚而在金属晶粒中由各个正离子形成的势场中比较自由地运动，形成“自由电子”或称“离域电子”。3.什么是金属键，有何特点？答：金属离子与自由电子之间的强烈的相互作用。其主要特点是：（1）参与共用的原子数多；（B2）电子运动三维空间。4.简述经典自由电子的理论核心内容。答：金属中的价电子类似于理想气体分子，价电子间无相互作用，在金属晶体中受一定恒势场作用，可以在整个晶体内自由运动，但不能超出表面。5. 简述现代自由电子理论的核心内容。答：金属元素电负性、电离能较小，最外层价电子容易脱离原子核的束缚，在金属晶粒中正离子形成的势场中比较自由地运动，形成“自由电子”或“离域电子”。这些金属中的自由电子可看作彼此间没有相互作用、各自独立地在势 能等于平均值的势场中运动，相当于在三维势箱中运动的电子。6. 简述非完全自由电子能带理论的核心内容。答：金属离子按点阵结构有规则地排列着，每一个离子有一定的正电荷。电子在其间运动时与正离子之间有吸引势能，而且电子所处的位置不同，与正离子之间距离不同，势能的大小就不同。电子除直线运动（一维时）外，在正电荷附近还要作轻微的振动。7. 简述固体能带理论的核心内容。答：固体能带理论把金属晶体看成一个大分子，这个分子由晶体中所有原子组合而成。由于各原子的原子轨道之间的相互作用便组成一系列相应的分子轨道，其数目与形成它的原子轨道数目相同。N个原子轨道线性组合得到N个分子轨道。N的数值越大，分子轨道之间的能级差（或能级间隔）越小。当非常大时，能级间隔非常小，实际上这些能级已经分不清，可以看作连续能带。8.什么是满带、导带和禁带？答：满带：能带中完全被电子所充满；导带：有电子但未充满；禁带：各能带的间隙，是电子不能存在的区域。9.根据能带理论，简要说明金属、半导体、绝缘体的划分有何区别（可以画图辅助说明）？并说明金属镁之所以是金属而不是绝缘体或半导体的原因？答：金属：晶体的能带中存在不满带，表现出导电性。有两种情况（如同）：一是没有足够的电子填充价带能级，形成不满带；另一种是价带与空带重叠，电子在没有排满价带之前，一部分电子就开始填充空带部分，而形成不满带。半导体：在波矢K落在布里渊区边缘时，会发生能级分裂，出现禁带，但是半导体材料的禁带宽度很小，一般小于2eV，在热激发下部分低能级电子可以跃迁到高能级上，从而表现出导电性。绝缘体：同样也出现禁带，只是他的禁带宽度相对大一些，一般的温度下，热激发不能提供足够的能量使低能级上的电子跃迁到高能级上，因此不能表现出导电性。金属镁如果仅仅从核外电子排布情况来看，1S、2S、2P、3S能级都被电子排满，应该为绝缘体或半导体，但是金属镁的3S能带和3P能带发生部分重叠，从而使金属镁表现出导电性，为导体。10.指出金属中键型和结构的主要特征。为什么可将金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题?答：（1）金属中的键型是金属键，由于金属元素的电负性一般都比较小，电离能也较小，最外层家电子很容易脱离原子的束缚而在金属晶粒中由各个正离子形成的势场中比较自由的运动，形成自由电子。金属晶体中各金属原子的价电子公有化于整个金属大分子，所有成键电子可在整个聚集体中流动，而共同组成了离域的N中心键。在金属晶体中没有定域的双原子键，也不是几个原子间的离域键，而是所有原子都参加了成键，这些离域电子在三维空间中运动，离域范围很大。（2）因为整个金属单质晶体可以看作是同种元素的金属正离子周期性排列而成，这些正离子的最外层电子结构都是全充满或半充满状态，他们的电子分布基本上是球形对称的；而同种元素的原子半径都相等，因此可以把他们看成是一个个等径圆球。又因为金属键无饱和性和方向性，金属原子在组成晶体时，总是趋向于形成密堆积的结构，其特点是堆积密度大，相互的配位数高，能够充分利用空间，整个体系能量最低。所以可以用等圆球密堆积的模型来描述金属结构。11. 为什么金属单质的结构可以近似为等径圆球的紧密堆积？答：近似的合理性：等径同种元素的原子半径是相等的；圆球组成晶格的原子实近似球形对称；密堆积金属键没有方向性和饱和性，金属晶体内原子趋向于形成最紧密堆积，尽可能多的配位。12. 固溶体与溶液有何异同？固溶体有几种类型？答：所谓金属固溶体，就是两种或多种金属或金属化合物相互溶解组成的均匀物相，其中组分的比例可以改变而不破坏均匀性。少数非金属单质如 H、B、C、N 等也可溶于某些金属，生成的固溶体仍然具有金属特性。金属固溶体存在三种结构类型不同的形式：置换固溶体、间隙固溶体、缺位固溶体。13. 金属固溶体有何特点？答：固溶体具有一种均匀的组织，具有以下特点：（1）溶质和溶剂原子占据一个共同的晶体点阵，点阵类型和溶剂的点阵相同；（2）有一定的成分范围；（3）具有比较明显的金属性质，结合键主要是金属键。14. 金属在什么条件下可以形成无限固溶体？答：（1）单质的结构形式：结构类型相同才能形成金属固溶体；（2）原子尺寸：组分金属的原子半径相近，两者相差不能超过15%；（3）化学亲和力：两种元素若化学亲和力很强，它们易形成稳定的金属化合物，而不形成固溶体。只有化学亲和力较弱的情况，合金才形成固溶体。 15.何为固溶强化，其主要作用是什么？答：溶质原子溶入造成的晶格畸变使塑性变形抗力增加，位错移动困难，因而使固溶体的强度、硬度提高，塑性和韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料机械性能的重要途径之一。16. 金属化合物物相与金属固溶体物相有何不同？试从结构特征、组成特征和性能特征说明之。答：（1）构成金属固溶体的组成成分具有相同的结构形式，组分金属的原子半径相近，并且其电负性不能相差太多；而金属化合物组成成分的结构形式和原子半径、电负性有较大的差别。 （2）金属固溶体的结构仍然保持着其组分的结构，而金属化合物的结构一般不同其组分在独立存在是的结构形式，不同于金属固溶体中各组分原子占据着相同的结构位置，金属化合物各组分中原子在结构中位置占据着不同的位置。 （3）金属固溶体的性能与其组成成分在熔点和硬度上都要强许多，而金属化合物易于生成组成可变的金属化合物 。17.镁合金有何性能特点，主要有哪些用途？答：镁合金的强度不如铝合金，但密度小，只有铝的1/3，故比强度仍比铝合金高，并且刚度好，抗震能力强，切削性能好。用镁合金压铸的零部件轻薄，具有表面光亮，质量轻，强度重量比高，尺寸稳定，吸震性好，散热快，抗静电等特点。镁合金广泛用于航空（发动机的机匣、机匣盖等）、航天、国防工业，汽车工业及制作各种镁合金型材。可以用于高档家用电器，如壁挂式电视机外壳、笔记本电脑外壳、通讯电子产品、汽车零、部件的制造。18.非晶态金属材料是怎样形成的，有何特征？答：非晶态金属材料是用超高速急冷（冷却速度可达1106s）的方法来获得的，快速冷却使原子来不及排列整齐形成晶体就已固化。非晶态金属材料的主要特征如下：（1）原子排列长程无序和短程有序（即金属原子的周围配位情况彼此相似，也与晶态中原子的情况相近）性；（2）无晶界。从亚微观来看金属玻璃是均匀的固体，不存在晶粒和晶界，这一特点大大提高了金属玻璃的力学性能和电磁性能；（3）热力学的亚稳定性。金属玻璃在热力学上是不稳定的，它有向晶态转化的趋势。19.非晶态金属材料与晶态金属材料的最大区别是什么？答：非晶态合金与晶态合金最大的区别在于长程无序。晶态合金只要了解一个晶胞中原子的排布，由于周期性，固体中所有原子的排布都知道了。而非晶态合金结构特点为短程有序、长程无序，即某一个第一近邻、第二近邻原子是有固定排列的，而更远的原子是无序的。第五章 无机材料1. 配位数：晶体结构中与一个离子直接相邻的异号离子数。2. 配位体：晶体结构中与某一个阳离子直接相邻、形成配位关系的各个阴离子中心连线所构成的多面体。3.离子半径：指正、负电子相互作用时，所表现出的半径。4.分子间作用力：分子间力（又称范德华力）是指除了分子内相邻原子间存在的强烈的化学键外，分子和分子之间还存在着一种较弱的吸引力。5.超分子：由两种或两种以上分子以非共价键的分子间作用力结合在一起而形成的、较复杂的、有组织的缔合体，并能保持确定的完整性，具有特定的相行为和比较明确的微观结构和宏观特征。 6.分子识别：不同分子间的一种特殊的、专一的相互作用。7.超分子自组装：一种或多种分子，依靠分子间相互作用，自发地结合起来，形成分立的或伸展的超分子。 8. 萤石型：CaF2型结构中，Ca2+按面心立方紧密排列，F-占据晶胞中全部四面体空隙。9.反萤石型：阳离子和阴离子的位置与CaF2型结构完全相反，即碱金属离子占据F-的位置，O2-占据Ca2+的位置。10.NaCl型离子晶体负离子属于立方最紧密堆积，其配位数为6，所占空隙为正八面体，所占空隙分数为1。11.CsCl型离子晶体负离子属于简单立方，其配位数为8，所占空隙为立方体，所占空隙分数为1。12.影响离子半径的因素很多，但最主要的是配位数和构型。13.一个离子的半径是不定的，它和离子所处的特定条件有关，一般常以NaCl构型的半径作为标准，对其余构型的半径应作一定的校正。14.哥希密特离子半径是从球形离子间堆积的几何观点来计算离子半径。15.离子极化的会使键能、晶格能的增加，引起键长的缩短，产生从离子键向共价键过渡的键型变异。16.原则上，离子晶体中各配位多面体之间可通过共顶点或共棱或共面连接，共面连接会大大缩短M-M键的距离，使同号离子间的排斥能增加，降低晶体结构的稳定性，所以在典型的离子化合物中主要采用共顶点连接的方式。17.冰是一种典型的分子晶体，石墨是一种典型的混合晶体。18.在极性分子间存在着色散力、取向力和诱导力等分子间作用力。19.分子间作用力是一种较弱的作用力，在非极性分子间存在着色散力。20.石墨分子是一种混合键型的分子，在石墨层之间存在着作用。21.形成超分子时，要求分子间达到能量和空间结构的匹配，称之为识别，超分子自组装是靠分子间作用力来完成的。22.金刚石属于原子晶体，节点间的作用力是共价键，晶体中无单独分子，整个晶体为一个大分子。23.在立方金刚石晶体结构中，碳原子形成呈椅式构象的六元环，每个CC键的中心点为对称中心；在六方金刚石中一部分 CC 键采用重叠式构象，平行C轴的 CC 键中心点具有镜面对称性。24.单晶硅是制造太阳能电池的一种重要原料，对其纯度要求很高，一般要求纯度达到99.999。25.氮化硼质地柔软，具有润滑性能，是一种白色的固体，又称白石墨；碳化硅具有与金刚石相似的晶体结构，熔点很高，硬度近于金刚石，又称金刚砂。26.普通玻璃的成份是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2；工业上制水泥的主要原料是黏土、石膏和石灰石，普通水泥的主要成分是硅酸三钙（3CaOSiO2）、硅酸二钙（2CaOSiO2）、铝酸三钙（3CaOAl2O3）。27.金刚石和氮化硼都是硬度较高的材料，在钢铁的切削、磨削方面，选用氮化硼要好一些。习题解答1.传统无机材料主要有哪些，有何特点？答：传统的无机非金属材料指以硅酸盐为主要成分的材料（如玻璃、水泥和陶瓷等），并包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料。传统的 非金属材料主要有：高熔点，高硬度，不导电，低膨胀系数，脆性大等特性。2.CsCl的晶胞如下图所示，请写出Cl-和Cs+的分数坐标。答：Cl-的分数坐标为：Cs+的分数坐标为：2.为什么可将离子晶体的结构归于不等径圆球密堆积的问题?答：离子晶体的结构多种多样，而且有的很复杂。但复杂的离子晶体结构一般都是典型的简单结构形式的变形，故可将离子晶体的结构归结为几种典型的结构形式。2.如何正确理解离子半径的概念?离子半径是不是常数? 它与哪些因素有关?答：若将离子近似的看作具有一定半径的弹性球，两个相互接触的球形离子的半径之和即等于核间的平衡距离，这就是一般所说的离子半径的意义。离子半径本来应该是指离子电子云的分布范围，但是按照量子力学计算，离子的电子云密度是无穷的，因此严格的说，一个离子的半径是不定的，它和离子所处的特定条件有关。3.什么是金属原子半径、离子半径、共价半径、范德华半径，它们有何不同？举例说明。答：金属原子半径：用 X 射线衍射法可以测定金属单质的结构，从金属晶体的晶胞参数可以求出两个邻近金属原子间的距离，他的一半就是原子半径。金属原子半径随配位数不同稍有变化，配位数高，半径大。离子半径：在离子晶体中，相邻的正负离子间存在着静电吸引力和离子外层电子云相互作用的排斥力，当这两种作用力达成平衡时，离子间保持一定的接触距离。若将离子近似的看作具有一定半径的弹性球，两个相互接触的球形离子的半径之和即等于核间的平衡距离，这就是一般所说的离子半径的意义。Van de waals 半径：代表相邻分子中原子之间最小接触距离的平均值。4. 金刚石结构中C原子按面心立方排列，为什么其堆积系数仅为34%？答：为了分析晶体结构方便起见，金刚石结构中C原子可以看成按面心立方排列。但实际上由于C原子之间是共价键，具有方向性和饱和性，每个C原子与4个C原子形成共价键（紧密相邻），所以并没有达到紧密堆积（紧密堆积时每个原子同时与12个原子紧密相邻），其晶体结构内部存在很多空隙。所以其堆积系数仅为34%，远远小于紧密堆积的74.05%.2. 同为碱土金属阳离子Be2+、Mg2+、Ca2+，其卤化物BeF2和SiO2结构相同，MgF2与TiO2（金红石型）结构相同，CaF2则有萤石型结构，分析其原因。答：碱土金属离子Be2+、Mg2+、Ca2+，随着原子序数的增大，离子半径逐渐增大，极化性能变化不大。当阴离子同为F-时，使得其r+/r-增大，配位数增大，由BeF2的4配位到MgF2的6配位，再到CaF2的8配位。3.为什么在AX型晶体结构中，NaCl型结构最多？答：在AX型晶体结构中，一般阴离子X的半径较大，而阳离子A的半径较小，所以X做紧密堆积，A填充在其空隙中。大多数AX型化合物的r+/r-在0.4140.732之间，应该填充在八面体空隙，即具有NaCl型结构；并且NaCl型晶体结构的对称性较高，所以AX型化合物大多具有NaCl型结构。4.MgAl2O4晶体结构中，按r+/r-与CN关系，Mg2+、Al3+都填充八面体空隙，但在该结构中Mg2+进入四面体空隙，Al3+填充八面体空隙；而在MgFe2O4结构中，Mg2+填充八面体空隙，而一半Fe3+填充四面体空隙。答：按照阳、阴离子半径比与配位数之间的关系，Al3+与Mg2+的配位数均应该为6，填入八面体空隙。但是，根据鲍林规则，高电价离子填充于低配位的四面体空隙时，排斥力要比填充八面体空隙中较大，稳定性较差，所以Al3+填入八面体空隙，而Mg2+填入四面体空隙。而在MgFe2O4结构中，由于Fe3+的八面体择位能为0，可以进入四面体或八面体空隙，当配位数为4时，Fe3+离子半径0.049nm，Mg2+离子半径0.057nm，Fe3+在四面体空隙中更加稳定，所以Mg2+填充八面体空隙、一半Fe3+填充四面体空隙。5. 何为离子极化，影响离子极化的因素有哪些？答：正负离子相互接近时，由于各自原子核对对方电子云的吸引和对对方原子核的排斥，总会引起对方电子云主要是最外层电子云的变形，使电子云分布的重心偏离原子核，这种现象称为离子极化。影响极化率的因素主要有：（1）离子半径越大，极化率越大；（2）无论是正离子或负离子都有极化作用和变形性两个方面，但负离子极化率一般大于正离子，因为正离子较小，电子云不易变形，所以不易被极化，反之正离子却具有较高的极化力使异号离子极化，负离子则相反；（3）正离子价数越高极化率越小，负离子价数越高极化率越大。6.分子晶体有何特点？答：（1）较低的熔沸点；（2）较小的硬度；（3）固态或熔融状态下一般不导电；（4）分子晶体的熔沸点随相对分子量的增加、氢键的存在而升高；（5）分子晶体的溶解性与溶质与溶剂的分子间作用力类型相关 相似相溶。7.硅酸盐在结构上最基本的特征是什么？答：（1）以（SiO4)4-作为结构基元，四个O2-以正四面体方式配位于Si4周围，形成硅氧四面体；（2）Si4之间不存在直接接触，通常是通过共用的氧原子将硅氧四面体连接在一起以形成有限和无限扩展的配位多核阴离子。8.绿宝石和透辉石中Si:O都为1:3，前者为环状结构，后者为链状结构。答：绿宝石和透辉石中Si:O都为1:3。但是，绿宝石中的其它阳离子Be2+和Al3+的离子半径较小，配位数较小（4或6），相互间斥力较大，所以绿宝石通过SiO4顶角相连形成六节环，再通过Be2+和Al3+将六节环连接起来，离子堆积结合状态不太紧密，这样晶体结构较稳定。透辉石中是Mg2+和Ca2+，离子半径较大，配位数较大（分别为6和8），相互间斥力较小，所以透辉石通过SiO4顶角相连形成单链，离子堆积结合状态比较紧密。9. 叙述硅酸盐晶体结构分类原则及各种类型的特点，并举一例说明之。答：硅酸盐矿物按照硅氧四面体的连接方式进行分类，具体类型见表。表硅酸盐矿物的结构类型结构类型 共用氧数 形状 络阴离子 氧硅比 实例 岛状 0 四面体 SiO44- 4 镁橄榄石Mg2SiO4 组群状 12 六节环 Si6O1812- 3.53 绿宝石Be3Al2Si6O18 链状 23 单链 Si2O64- 32.5 透辉石CaMgSi2O6 层状 3 平面层 Si4O104- 2.5 滑石Mg3Si4O10(OH)2 架状 4 骨架 SiO2 2 石英SiO2 10.什么是分子筛，在结构上有何特点？答：分子筛是一种天然或人工合成的泡沸石型水合铝硅酸盐的晶体，具有很空旷的骨架型结构，在结构中有许多孔径均匀的通道和排列整齐内表面很大的孔穴。11.新型无机材料的性能有何特点？答：（1）能承受高温、强度高；（2）具有电学特性；（3）具有光学特性；（4）具有生物特性。五.高分子材料名词解释1.高分子化合物：高分子化合物是由成千上万个原子通过化学键连接而成的化合物。2.高分子材料：是由分子量比一般有机化合物高得多的高分子化合物为主要成分制成的物质，也称为有机高分子材料。3.分子链和链节：由一种或几种简单的低分子化合物通过共价键重复连接而成的链称为分子链，大分子链中的重复结构单元叫链节。4.聚合度：链节的重复次数即链节数叫聚合度。5.高分子链结构：一次（近程）结构：是构成的最基本微观结构，包括其组成和构型；二次（远程）结构：大分子链的构象，即空间结构，以及链的柔顺性等。6.高分子聚集态结构：指高分子链之间的堆砌结构，包括晶态、非晶态、液晶态、取向态等。7.线形高分子：其长链可能比较伸展，也可能卷曲成团，取决于链的柔顺性和外部条件，一般为无规线团适当溶剂可溶解，加热可以熔融，即可溶可熔。8.体型高分子：分子链之间有许多链节互相交联，交联程度深的, 既不溶解, 又不熔融，即不溶不熔9.全同立构：取代基R全部处于主链一侧；间同立构：取代基R相间地分布在主链两侧；无规立构：取代基R在主链两侧作不规则地分布。10.多分散性：一般高分子的分子量在 104 106 范围，这种高分子的分子量不均一(即分子量大小不一、参差不齐）的特性，称为分子量的多分散性。5.共聚物：5-2问答题1什么是构象，构象与构型有何区别？答：构象是由单键的内旋转引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形态。构象与构型的根本区别在于：构象通过单键内旋转可以改变，而构型无法通过内旋转改变。 2.构象与高分子的柔顺性有何区别？答：高分子链能形成的构象数越多，柔顺性越大。由于分子内旋转是导致分子链柔顺性的根本原因，而高分子链的内旋转又受其分子结构的制约，因而分子链的柔顺性与其分子结构密切相关。3.（a）聚丙烯酸甲酯和（b）聚甲基丙烯酸甲酯哪一个较为柔顺?答：聚丙烯酸甲酯的柔顺性比和聚甲基丙烯酸甲酯要好。高分子在运动时C-C单键在保持键长和键角不变的情况下可绕轴任意旋转，称之为单键的内旋转。高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能称为高分子链的柔顺性。高分子链能形成的构象数越多，柔顺性越大。由于分子内旋转是导致分子链柔顺性的根本原因，而高分子链的内旋转又受其分子结构的制约，因而分子链的柔顺性与其分子结构密切相关，其中主链结构、侧基和链的长度都起作用。在C-C键上带有其他原子或基团时，由于这些原子和基团之间存在着一定的相互作用，会阻碍单键的内旋转，所以柔顺性降低。4.何为高分子的聚集态结构，分为哪几种类型？答：高分子的聚集态结构，是指高聚物材料整体的内部结构，即高分子链与链之间的排列和堆砌结构，也称超分子结构。依分子在空间排列的规整性可将高聚物分为结晶型、部分结晶型和无定型(非晶态)三类。 5.在受热过程中高分子材料会发生哪些状态变化，这些变化的主要特点是什么？答：非晶态聚合物在不同温度下，可以呈现三种不同的力学状态，即玻璃态、高弹态和粘流态，这三种力学状态是聚合物分子微观运动特征的宏观表现。（1）玻璃态（TTg）：（A）分子内旋转和整个分子链的运动被冻结，或者说松弛时间无限大，只有小的运动单元可以运动；（B）玻璃态时，聚合物的力学性质和玻璃相类似。高聚物呈现玻璃态的最高温度(Tg)为玻璃化温度；（C）高聚物为玻璃态时具有较好的力学性能，因此凡高于室温的高聚物均可作结构材料。（2）高弹态(TgTTf ）：（A）分子动能足以使链段和整个分子链都运动起来，聚合物成为流动的粘绸液体，是能使整个分子链发生运动的最低温度；（B）粘流态是高聚物成型加工的状态。6.说出分子间力主要是：（a）色散力，（b）偶极力，（c）氢键的聚合物名称。答：（1）主要是色散力的聚合物：聚乙烯等；（2）主要是偶极力的聚合物：聚氯乙烯等；（3）主要是氢键的聚合物：聚乙烯醇、纤维素等。7. 试述聚合物球晶的生长过程。答：聚合物在从熔体或较浓的溶液(1%)中结晶时，可以形成球晶。球晶的生长过程聚合物球晶的生长过程一般按下列顺序发生：（1） 具有相似构象的高分子链段聚集在一起，形成一个稳定的原始晶核；（2） 随着更多的高分子链段排列到晶核的晶格中，初级晶核逐渐生长成一个片晶；（3） 片晶不断的生长，同时诱导形成新的晶核，并逐渐生长分叉，原始的晶核逐渐发展成一束晶片；（4） 这一束片晶进一步生长，并分叉生长出更多的片晶，最终形成一个球晶。8. 非晶态聚合物在不同温度下的力学状态有何特点？答：非晶态聚合物在不同温度下，可以呈现三种不同的力学状态，即玻璃态、高弹态和粘流态，这三种力学状态是聚合物分子微观运动特征的宏观表现。如下图所示。 玻璃态聚合物在升高到一定温度时可以转变为高弹态，这一转变温度称为玻璃化转变温度，或简称玻璃化温度，常以Tg表示。高弹态到粘流态的转变温度称为粘流温度，常以Tf表示。 高弹态TgTf玻璃态粘流态非晶态高聚物的温度形变曲线5. 高分子聚合物有何特殊的性能？答：（1）在力学性能方面：（A）较低强度，高聚物的抗拉强度平均为100MNm2左右，但比强度较高；（B）高弹性和低弹性模量，橡胶的弹性变形率为1001000，弹性模量为10100MNm2；（C） 粘弹性，高聚物的粘弹性表现为蠕变，应力松驰、内耗三种现象；（C）高耐磨性，其中橡胶的摩擦系数大。（2）在电学性能方面：一般地说，高聚物都是电介质，是具有优良介电性能的绝缘材料；一些高聚物如硬橡胶、橡皮、赛璐珞等具有压电性；高聚物由接触和摩擦容易引起静电现象。（3）在光学性能方面：高聚物具有对光的吸收、透明度、折射、双折射、反射、内反射、散射等性能。（5） 在热学性能方面：（A）低耐热性；（B）低导热性；（C）高膨胀性；（4）高化学稳定性。7. 简要说明逐步聚合反应特征。答：逐步聚合反应是由单体及不同聚合度的中间产物之间通过官能团之间的逐步反应来聚合的，具有以下几个特征：（1）逐步聚合反应是由若干个聚合反应构成的，是逐步进行的，反应可以停留在某一阶段上，可得到中间产物；（2）缩聚产物链节的化学结构与单体的不完全相同；（3）在缩聚过程中总有小分子副产物析出；（4）相对分子质量随转化率增高而逐步增大，只有在高转化率才能生成高相对分子质量的聚合物，这是逐步聚合反应区别小分子缩合反应的一个重要特征。8. 高分子材料中为何要加入添加剂？按其作用可分为哪几种？答：为了改进高分子材料的性能，加工时往往要加入适量性能助剂。按其作用可以分为：填充剂、增塑剂、着色剂、抗冲击剂、阻燃剂、抗静电剂和偶联剂等。（1）填料可改进塑料的力学性能、热性能、电性能以及加工性能等等，同时还可降低塑料的成本；（2）增塑剂是一些高沸点液体或低熔点固体状的有机化合物，其作用是减小高分子链间作用力，以增加塑料的可塑性，降低刚性和脆性，改善加工性能；（3）着色剂是为了为使塑料色泽鲜艳，或为了适合使用要求，常在塑料中加入的颜料或染料。珠光剂和萤光剂亦属此列。9. 试述常用工程材料的种类、性能和应用。答：常用工程塑料主要有以下几类：（1）聚酰胺：其主要性能特点是断裂强度高、抗冲击负荷、耐疲劳、与橡胶粘附力好，机械强度高、耐油性好，冲击韧性、耐磨性、自润滑性、消音性等也较好。主要用于制造轮胎帘子线，少量用于衣物，被大量地用作结构材料；还可用作轴承、齿轮、滚珠辊轴等，以及输油管、高压油管和储油容器等。（2）聚砜：其主要性能特点是强度高、弹性模量大、耐热性好，最高使用温度可达150165，蠕变抗力高，尺寸稳定性好，有良好的电气性能，甚至在水中和潮湿空气中，在190也能保持良好的电性能；还具有自熄性，对无机酸、碱和盐等稳定，对烃油也有良好的稳定性。缺点是耐溶剂性差，加工成型温度高和加工性能不够理想等。聚砜主要用于制作要求高强度、抗蠕变的结构件、仪表零件和电气绝缘零件。此外，聚砜还具有良好的可电镀性，可通过电镀制成印刷电路板和印刷线路薄膜。聚砜在汽车和机械工业中也得到广泛应用，做汽车用的某些结构件，如汽车外罩、仪表盘、护板及各种齿轮、叶轮、器皿和机器制件。除此之外，在飞机制造业利用它的自熄性做成某些零件和空气管道。（3）聚甲醛：其主要性能特点是很高的硬度和刚性，可以在-40100的温度范围内长期使用，具有良好的抗冲击、耐疲劳性；较高的磨蚀阻力和较低的摩擦系数。除此之外，它还具有良好的耐溶剂性能，但不耐强酸和氧化剂。聚甲醛的吸水率低，在0.20.25左右。但热稳定性差，遇火会燃烧，长期在大气中曝晒还会老化。聚甲醛在汽车、机床、化工、仪表、农机、电子行业，制造工业零件代替有色金属和合金等部门得到广泛的使用。（4）聚碳酸酯：其主要性能特点是化学稳定性很好，能抵抗日光、雨水和气温变化的影响，透明度高，成型缩率小，制件尺寸精度高，机械性能优异，尤其是具有优良的抗冲击强度。但疲劳强度低，易造成应力开裂。聚碳酸酯在各行各业得到越来越广泛的使用，它可以代替黄铜，做各种电子仪器的通用插头，还可用作轴承、齿轮、齿条、蜗轮和蜗杆等转动件，用作耐高击穿电压和绝缘性的零部件，大型灯罩、防护玻璃，以及医疗卫生的手术器械等。 （5）ABS塑料：其主要性能特点是耐热、表面硬度高、尺寸稳定、良好的耐化学性及电性能、易于成型和机械加工等，还可以进行表面电镀。但耐热性不够高，如热变形温度(100)较低，不耐燃，不透明，耐候性差，特别是耐紫外线性能不好。主要在家用电器、箱包、卫生洁具、装饰板材、机械加工、电器制造、汽车等工业领域。（6）氯化聚醚：其主要性能特点是具有极高的耐磨性，抗拉、弯曲、冲击强度均比聚乙烯优越。耐热性比聚乙烯好。它的耐化学腐蚀性极好，仅次于聚四氟乙烯，而且还具有优良的机械性能，加工性较好，力学性能与一般工程塑料差不多。但耐寒性较差。氯化聚醚可制作在120以下腐蚀介质中工作的零件，如泵、阀门、管道等。它的尺寸稳定性好，耐磨且收缩率小，可制造精密机械中的零件等。由于它可在120的高压蒸汽中进行清毒处理，并对人的生理过程无副作用，也常用来制作外科手术医疗器械。（7）聚四氟乙烯：其主要性能特点是具有耐热、耐寒、低摩擦系数、有自润滑性，具有优异的耐化学腐蚀性，不受任何化学试剂的侵蚀，即使在高温下在强酸、强碱、强氧化剂中也不受腐蚀，故有“塑料王”之称。但其强度、硬度低，尤其是抗压强度不高；加工成型性差，加热后粘度大，价格昂贵。主要被用来作那些耐热性高，介电性能好的电工器材和无线电零件；各种不同腐蚀介质中使用的密封件，耐腐蚀的化工设备和元器件；机