材料化学课本作业

材料化学课本作业材料化学课本作业 材料化学作业专业无机化学学号107551600515姓名陈景景第二章化 学基础知识一 填空题1 热力学第三定律的具体表述为纯物质完美 晶体在0K时的熵值为零 数学表达式为S 完美晶体 0K 0J K 1 2 麦克斯韦关系式为pST VpS S VTpV S T VSpV T pTS VpT 3 偏摩尔吉布斯函数又称化学势 定义为 CB BBTp nGGn 4 理想稀溶液存在依数性质 即溶剂的蒸气压下降 凝固点降低 沸点升高 渗透压的量值均与溶液中溶质的数量有关 而与溶质的 种类无关 5 人们将存在于两相间厚度为几个分子大小的薄层称为界面层 简 称界面 有液 气 固 气 固 液 液 液 固 固界面 通常把固 气界面 液 气界面称为表面 6 表面张力一般随温度和压力的增加而降低 且 金属键 离子键 极性共价键 非极性共价键 7 按照氧化态 还原态物质的状态不同 一般将电极分成第一类电 极 金属电极 气体电极 第二类电极 金属 难溶盐电极 氧化还原电极三类 8 相律是描述相平衡系统中自由度 组分数 相数之间关系的法则 其有多种形式 其中最基本的是吉布斯相律 其通式为f c p 2 二 名词解释1 拉乌尔定律气液平衡时稀溶液中溶剂A在气相中的蒸 气压p A等于同一温度下该纯溶剂的饱和蒸气压p A 与溶液中溶剂的摩尔分数x A的乘积 该定律称为拉乌尔定律 2 亨利定律在一定温度下 稀溶液中易挥发溶质B在平衡气相中的分 压p B与其在平衡液相中的摩尔分数x B成正比 该定律称为亨利定律 3 基元反应化学反应并非都是由反应物直接生成生成物 而是分若 干真实步骤进行的 这些步骤称为基元反应 4 质量作用定律基元反应速率与反应中各反应物浓度的幂乘积成正 比 这一规律称为基元反应的质量作用定律 5 稳态近似处理假定中间物浓度不随时间而改变的处理方法 6 极化当电化学系统中有电流通过时 两个电极上的实际电极电势 将偏离其平衡电势e 这种现象称为电极的极化 7 相图又称平衡状态图 用几何 图解 的方式来描述处于平衡状 态时 物质的成分 相和外界条件相互关系的示意图 三 简答题1 简述什么是亚稳状态 其形成原因及在生产中应如何 处理 答1 是一种热力学不稳定状态 但在一定条件下能长期存在 称为 亚稳状态 2 形成原因新相难于形成 3 生产中遇到亚稳态有时需要保护 有时需要破坏 如非晶体材料 制备就是将材料高温熔融后迅速冷却 使晶格排列长程无序 从而 形成非晶态亚稳结构 使材料的耐腐蚀性能力和力学性能得以提高 金属退火处理是为了消除淬火等处理所产生的一些不平衡相 使材 料的内部组织重新达到平衡状态 2 简述物理吸附与化学吸附的区别 项目物理吸附化学吸附吸附力分子间力化学键力吸附分子层多分子 层或单分子层单分子层吸附温度低高吸附热小大吸附速率快慢吸附 选择性无或很差有3 简述热分析法绘制相图的步骤 答先将样品加热成液态 然后另其缓慢而均匀地冷却 记录冷却过 程中系统在不同时刻的温度数据 以温度为纵坐标 时间为横坐标 绘制温度 时间曲线 即冷却曲线 或称步冷曲线 由若干条组成不同的冷却曲线可绘制出相图 四 计算题1 计算压力为100kPa 298K及1400K时如下反应CaCO3 s CaO s CO2 g 的 r Gm 判断在此两温度下反应的自发性 估算该反应可以自发进行 的最低温度 解 2100298ln ln8 314298ln0100COr mpGK RT K RTp 21001400ln ln8 3141400ln0100COr mpGK RTK RTp 2 已知反应12H2 g 12Cl2 g HCl g r Hm 92 2kJ mol 1 在298K时 K 4 86 1016 试计算500K时该反应的K 和 r Gm 解由范特霍夫方程212111lnr mHKK R T T 即321692 21011ln4 86108 314500298K 得2321 64410K 23ln8 314500ln1 64410 222 20 9 r mGRTKJ molkJ mol 3 在301K时 鲜牛奶大约在4h后变酸 但在2 78K时 鲜牛奶要在48h后才变酸 假定反应速率与牛奶变酸时间成反比 求牛奶变酸反应的活化能 解由反应速率与牛奶变酸时间成反比 可知1 2ln2Atk 反应为一 级反应 速率方程为AA Adckcdt 11111212ln2ln2ln2ln20 173 0 014448k ss ks stt 由阿仑尼乌斯方程211211lnaE kkRTT 即0 01411ln0 1738 314301278aE 得75 16 3 aE kJmol 第三章材料的制备一 填空题1 熔体生长法主要有提拉法 坩埚下降法 区熔法 焰熔法等 2 物理气相沉积法是利用高温热源将原料加热 使之汽化或形成等 离子体 在基体上冷却凝聚成各种形态的材料 如晶须 薄膜 晶 粒等 的方法 其中以阴极溅射法 真空蒸镀法较为常用 3 PECVD所采用的等离子种类有辉光放电等离子体 射频等离子体 电弧等离子体 4 液相沉淀法是指在原料溶液中添加适当的沉淀剂 从而形成沉淀 物的方法 该法分为直接沉淀法 共沉淀法 均匀沉淀法 5 固相反应按反应物状态不同分为纯固相反应 气固相反应 液固 相反应及气液固相反应 按反应机理不同分为扩散控制过程 化学 反应速度控制过程 晶核成核速率控制过程和升华控制过程等 按 反应性质不同分为氧化反应 还原反应 加成反应 置换反应和分 解反应 6 合成新材料的一个巧妙方法是以现有的晶体材料为基础 把一些 新原子导入其空位或有选择性地移除某些原子 前者称为插层法 后者称为反插层法 引入或抽取原子后其结构一般保持不变 二 名词解释1 水热法指在高压釜中 通过对反应体系加热 加压 产生相对高温 高压的反应环境 使通常难溶或不溶的物质溶解 而达到过饱和 进而析出晶体的方法 2 高温溶液生长法又称熔盐法 是采用液态金属或熔融无机化合物 为溶剂 在高温下把晶体原料溶解 形成均匀的饱和溶液 通过缓 慢降温或其他方法析出晶体的技术 3 离子镀指蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子形式沉积在固 体表面的方法 是真空蒸镀与阴极溅射技术的结合 4 化学气相输运是指在一定条件下把材料转变成挥发性的中间体 再改变条件使原来的材料重新形成的过程 5 溶胶 凝胶法是通过凝胶前驱体的水解缩聚制备金属氧化物材料的湿化学 方法 6 自蔓延高温合成法是利用反应物间化学反应热的自加热和自传导 作用来合成材料的一种技术 三 简答题1 何为化学气相沉积法 简述其应用及分类 答1 化学气相沉积法 CVD 是指通过气相化学反应生成固态产物 并沉积在固体表面的方法 2 CVD法可用于制造覆膜 粉末 纤维等材料 它是半导体工业中 应用最为广泛的沉积多种材料的技术 包括制造大范围的绝缘材料 大多数金属材料和合金材料 2 简述溶胶 凝胶法的原理及优 缺点 答1 溶胶 凝胶法的原理溶胶 凝胶法一般以含高化学活性结构的化合物 无机盐或金属醇盐 为 前驱体 起始原料 其主要反应步骤是先将前驱体溶于溶剂 水 或有机溶剂 中 形成均匀的溶液 并进行水解 缩合 在溶液中 形成稳定的透明溶胶体系 经陈化胶粒间缓慢聚合 形成三维空间 网络结构 网络间充满了失去流动性的溶剂 形成凝胶 凝胶经过后处理 如干燥 烧结固化 可制备出所需的材料 2 溶胶 凝胶法的优缺点优点a 由于溶胶 凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中形成低黏度的溶液 因此 可在很短的时间内获得分子水平的均匀性 在形成凝胶时 反应物 之间很可能是在分子水平上被均匀地混合 b 经过溶液反应步骤 很容易均匀定量地掺入一些微量元素 实现分子水平上的均匀掺杂 c 一般认为溶胶 凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内 而固相反应时组分扩散在微 米范围内 因此化学反应较容易进行且所需温度较低 d 选择合适 的条件可以制备各种新型材料 缺点a 所使用的原料价格比较昂贵 有些原料为有机物 对健康有 害 b 通常整个溶胶 凝胶过程所需时间较长 常需要几天或几周 c 凝胶中存在大量微 孔 在干燥过程中会逸出许多气体及有机物 并产生收缩 3 简述矿化剂的主要作用 答1 改变反应机制降低反应活化能 2 影响晶核的生成速率 3 影响结晶速率及晶格结构 4 降低系统的共熔点 改善液相性质等 4 简述自蔓延高温合成的技术类型 答根据燃烧合成所采用的设备以及最终产物的结构等 可以将SHS分 为六种主要技术形式1 SHS制粉技术 2 SHS烧结技术 3 SHS致 密化技术 4 SHS熔铸 5 SHS焊接 6 SHS涂层 5 简述液相骤冷法的特点 答液相骤冷法的基本特点是先将金属或合金加热熔融成液态 然后 通过不同途径使熔体急速降温 降温速度高达105 108o C s 以致晶体生长来不及成核就降温到原子热运动足够低的温度 从而把熔体中的无序结构 冻结 并保留下来 得到结构无序的固 体材料 即非晶或玻璃态材料 样品可制成几微米到几十微米的薄片 薄带或细丝状 第四章材料的性能1 什么是腐蚀电池 其形成应具备哪些基本条件 答1 能导致金属腐蚀的原电池称为腐蚀电池 2 其形成应具备三个基本条件a 不同金属或同种金属的不同区域间 有电位差存在 且电位差越大 腐蚀越剧烈 较活泼金属的电位较低 成为阳极而遭受腐蚀 较不活泼金属电位 较高 作为阴极起传递电子的作用 不受腐蚀 b 两极材料共处于相连通的电解质溶液中 潮湿的空气因溶解了SO2等酸性气体 而构成了电解质溶液 c 具有不同电位的金属之间必须有导线连接或直接接触 2 材料的强度指标有哪些 这些指标各代表什么含义 答材料的强 度指标有e 0 2s b 和k 在弹性形变阶段 弹性变形的最大值所对应的应力称为弹性极限 用e 表示 材料的屈服强度 s 表示材料开始发生明显塑性形变的抗力 对于没有明显屈服点的材料 规定以产生0 2 残余变形的应力值0 2 为其屈服强度 b 值称为材料的抗拉强度 或极限强度 表示材料在载荷作用下发 生断裂前的最大应力 k 值称为材料的断裂应力 表示材料对塑性变形的极限抗力 3 何为材料的塑性 塑性用何种指标来评定 答材料的塑性与材料 断裂时的拉伸程度有关 可以用伸长率 和断面收缩率表示 00100 fl ll 将 5 的材料称为塑性材料 Zn Cu Fe 4 根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同 可将固溶体分为置 换固溶体 间隙固溶体 缺位固溶体三种 5 Q235AF表示屈服强度值为235MPa的A级沸腾钢 6 根据铝合金的成分及生产工艺特点 可将铝合金分为变形铝合金 铸造铝合金两类 7 冶金的分类方法很多 根据过程性质可分为物理冶金 化学冶金 根据冶金工艺过程不同分为火法冶金 湿法冶金 电冶金 二 名词解释1 光电效应金属在短波辐射照射下能放出电子的现象 称为光电效应 2 合金指由两种或两种以上的金属元素 或金属元素与非金属元素 组成的具有金属性质的物质 3 固溶体合金在固态下由不同组元互相溶解而形成的相称为固溶体 4 间隙化合物是由过渡元素与硼 碳 氮 氢等原子直径较小的非 金属元素形成的化合物 5 奥氏体碳在 Fe 晶胞参数a 356pm 中的间隙固溶体 6 马氏体 Fe中碳含量可达到1 6 的过饱和固溶体 三 简答题1 为何晶粒金属的强度和塑性都比粗晶粒高 答金属在 弹性形变时 晶格形状发生暂时的变化 原子间距改变 除去外力 后又恢复原状 塑性变形时 晶体内原子沿晶面滑动 除去外力后不复原 钢材是由许多晶粒组成的 晶粒取向和晶粒间的晶界对变形影响很 大 滑动一般不易穿过晶界 而在晶界上产生应力集中 这种集中的应 力再加上外力 可使相邻并未产生滑动的晶粒开始滑动 这样滑动由少数晶粒传布到整体 不同取向的晶粒相互制约 相互 协调 以适应外力的影响 所以晶粒金属的强度和塑性都比粗晶粒高 2 为何不能在室温下连续地将一块钢锭经多次轧制而制成薄钢板 而必须经过若干次轧制和加温再结晶的重复工序 才能制出合格的 钢板 答经过塑性变形后的金属 由于晶面之间产生滑动 晶粒破 碎或伸长等原因 致使金属产生内应力 从而发生硬化以阻止再产 生滑动 这使金属的强度 硬度增加 塑性 韧性降低 硬化的金属结构处于不稳定的状态 有自发地向稳定状态转化的倾 向 加热提高温度 原子运动加速可促进这种转化以消除内应力 加热时应力较集中的部位 能量最高 优先形成新的晶核 进行再 结晶 经再结晶的金属硬度和强度降低 塑性和韧性提高 使金属恢复到 变形前的性能 钢锭经过锻炼轧制 将粗晶粒的结构破碎成小晶粒 同时使原来晶 界间的微隙弥合 成为致密的结构 从而大大提高了其机械性能 3 简述储氢合金的储氢原理 答在一定温度和压力下 许多金属 合金或金属间化合物与氢能生 成金属氢化物 反应过程一般是在吸收少量的氢时 金属 合金或金属间化合物的 结构不变 当氢含量提高到一定量时氢与金属 合金或金属间化合 物化合生成金属氢化物 如果氢压高 可以形成过饱和氢化物 金属 合金或金属间化合物与氢的反应是可逆过程 改变温度和压 力条件可以使金属氢化物释放出氢 储氢材料表面由于氧化膜及吸附其他气体分子 初次使用一般几乎 无吸氢能力 或者需经历较长时间 通常要进行活化处理 其工艺是在高真空中加热到3000C后 通以高 纯氢 如此反复数次破坏表面氧化膜并被净化 而获得良好的反应 活性 4 简述形状记忆合金的特征 答材料在某一温度下受外力而变形 当外力去除后 仍保持其变形 后的形状 但当温度上升到某数值时 材料会自动回复到变形前原 有的形状 似乎对以前的形状仍保持着记忆 第六章无机非金属材料一 填空题1 典型的无机非金属材料的晶体 结构有AX型晶体 AX2型晶体 A2X3型晶体 ABO3型晶体 AB2O4型 晶体 金刚石和石墨的晶体 硅酸盐晶体等类型 2 P2O 5 SiO 2 TiO 2 Al2O 3 Fe2O3这几种金属氧化物中 酸性最强的是P2O5 碱性最强的是F e2O3 3 陶瓷材料按化学成分分为氧化物陶瓷 碳化物陶瓷 氮化物陶瓷 硼化物陶瓷等几种 4 普通陶瓷是用黏土 Al2O3 2SiO2 H2O 长石 K2O Al2O3 6SiO2 Na2O Al2O3 6SiO2 石英 SiO2 等原料烧制而成 5 在硅酸盐水泥中有四种矿物质 即硅酸三钙 3CaO SiO2 简写为 C3S 硅酸二钙 2CaO SiO2 简写为C2S 铝酸三钙 3CaO Al2 O3 简写为C3A 铁铝酸四钙 4CaO Al2O3 Fe2O3 简写为C4AF 6 水泥凝结硬化分为三个阶段 分别是溶解期 胶化期 硬化期 结晶期 二 简答题1 无机非金属材料的结合键包括几类 由它们组成的材 料性能有何区别 答1 无机非金属材料的结合键包括共价键和离子 键两类 2 键的比例对性能具有决定性作用 由于二者具有相对高 的能量 其混合键的键能也比较大 一般为100 500kJ mol 金属为60 250kJ mol 从而给无机非金属材料带来熔点高 硬度高 脆性大 透明度高 导电性低的性质特点 2 试画出NaCl晶体结构原子空间分布图 3 试描述无机非金属材料的各种性能 答1 热力学性能与金属材料和高分子材料相比 耐高温是陶瓷材料 的优异特性之一 2 力学性能与金属材料相比 无机非金属材料由 于化学键多为离子键和共价键 键能高且键具有明显的方向性 所 以晶体结构复杂 其弹性 硬度 塑性 强度 断裂和冲击性能等 与金属材料差异较大 3 电学性能金属能导电 主要是其具有核外 自由运动的自由电子 而无机非金属材料一般都不具有自由电子 所以导电性较差 那意味着此类材料多为良好的绝缘体 4 磁学性 能无机非金属材料具有强磁性 高电阻和低松弛损失等特性 将其 用于电子技术中的高频器件比用磁性金属优越 5 光学性能无机非 金属材料光学性能具有多样性和复杂性 主要包括对光的折射 反 射 吸收 散射和透射 以及受激辐射光放大的特性等多方面 6 化学性能无机非金属材料多由氧化物组成 随着其键合力的增加而 酸性越强 碱性越弱 4 陶瓷材料都包括哪些陶瓷 其性能 应用有何区别 答1 氧化物 陶瓷种类繁多 在陶瓷家族中占有非常重要的地位 最常用的氧化 物陶瓷有Al3O 2 SiO 2 ZrO 2 MgO CeO 2 CaO 2 Cr2O 3 莫来石 Al3O2 SiO2 和尖晶石 MgAl2O4 等 陶瓷中的Al3O2 和SiO2相当于金属材料中的钢铁和铝合金一样受到广泛应用2 碳化 物陶瓷一般具有比氧化物更高的熔点 最常用的是SiC WC B4C T iC等 碳化物陶瓷在制备过程中需要气氛保护 3 氮化物陶瓷应用 最广泛的是Si3N4 其具有优良的综合力学性能和耐高温性能 另外 TiN BN AlN等氮化物陶瓷的应用也日趋广泛 4 硼化物陶瓷应 用并不广泛 主要是作为添加剂或第二相加入其它陶瓷基体中 以 达到改善性能的目的 5 水泥水化硬化过程如何 答水泥的水化硬化过程3CaO SiO2 n H2O 2CaO SiO2 n 1 H2O Ca OH 22CaO SiO2 m H2O 2CaO SiO2 m H2O3CaO Al2O3 6H2O 3CaO Al2O3 6H2O4CaO Al2O3 Fe3O