材料化学第二版(曾兆华版)课后答案解析

1、第一章1. 什么是材料化学？其主要特点是什么？答：材料化学是有关于材料的结构、性质、制备及应用的化学。主要特点：跨学科性，实践性。2. 材料与试剂的主要区别是什么？答： 试剂在使用过程中通常被消耗并转化为其他物质， 而材料通常是可重复的、 连续的， 除了正常的消耗外，它不会不可逆地转化为其他物质。3. 观察一只灯泡，列举制造灯泡所需的材料。4. 材料按其组成和结构可以分为哪几类？如果按功能和用途对材料分类， 列举十种不同功能或用途的材料。答：（1 ）金属材料，无机非金属材料，高分子材料，复合材料（ 2 ） 导电材料、 绝缘材料、 生物医用材料、 航天航空材料、 能源材料、 电子信息材料、感光材

2、料5. 简述材料化学的主要内容。答：结构：原子和分子在不同层次彼此结合的形式、状态和空间分布。特性：材料固有的化学、物理和力学特性。制备：将原子和分子结合在一起，并最终将其转化为有用的产品应用。第二章1.原子间的结合键共有几种？各自特点如何?特点键强形成晶体的特点离了键无饱和性、无力向性、高配位数。最强高熔点、高强度、高硬度、低膨胀 系数、塑性较差、固态不导电、熔 态离子导电。共价键有饱和性、有方向性、低配强高熔点、高强度、高硬度、低膨胀位数系数、塑性较差、在熔态也不导电。金属键电子共有化，可以自由流动；塑性较好、有光泽、良好的导热、卷强兀,他个U'l土、兀刀 向柱、a导电性。数高4R

3、<3a而R范德华键bc无啜雌哂力3)性44 R3 3）弱01. 68c -0氢键。°3 %J1有饱和性、后方向性4R / X3.计算体心立方及六方重堆的a槛3系数 a 2R(1 )体心立方单位晶胞原子数n=2(2)六方密堆n=6(3)面心立方n=4II10. 单质Mn有一种同素异构体为立方结构，其晶胞参数为0.6326nm ,密度 =7.26 g cm-3 ,原子半径r = 0.112nm,计算Mn晶胞中有几个原子，其堆积系数nMhcp =n =64 R3 旭)64 R3 / 3)6c(2a1 78 w8(R.q3R)ra)12R-=20.139年2。假为多少?每箪位晶胞有20

4、低原子口4R2a42 R4(4 R3 / 3)(4R/ 2)30. 744(4 R3 / 3)fcc =3a20 X | H T堆稹因子:屋- 7T X (2A) 13C6.326A)J=0. 4649311 .固溶体与溶液有何异同？固溶体有几种类型？固体溶液与液体溶液的共同点：均具有均一性、稳定性，均为混合物，均存在溶解性问题(对 固态溶液称为固溶度，对液体溶液称为溶解度)；(1)均一性：溶液各处的密度、组成和性质完全一样；(2)稳定性：温度不变，溶剂量不变时，溶质和溶剂长期不会分离；(3)混合物：溶液一定是混合物。固体溶液与液体溶液的不同点：固溶体的溶质和溶剂均以固体形式出现，而液体溶体的

5、溶质和溶剂均以液体形式出现；固溶体：又称固体溶液，指由一种或多种溶质组元溶入晶态溶剂，并保持溶剂晶格类型所形成的单相晶态固体。固溶体按固溶度分可两种类型：有限固溶体与无限固溶体； 按溶质原子在晶格中的位置可分为置换固溶体与填隙固溶体。12 .试述影响置换固溶体的固溶度的因素 ？答：有原子或离子半径大小，电价，化学键性质，晶体结构等因素。(1)原子或离子半径大小:r1 r2r 100%, Ar < 15 %, 形成连续固溶体；15% < Ar < 30%, 形成有限ri固溶体；Ar > 30%,难形成固溶体；(2)电价：两种固体只有在离子价相同或同号离子的离子价总和相同时

6、，才能满足电中性要求，形成连续固溶体。(3)化学键相近，易形成连续固溶体。(4)晶体结构类型相同，易形成连续固溶体。15.说明为什么只有置换型固溶体的两个组份之间才能相互完全溶解，而填隙型固溶体则不能。答：置换型固溶体：溶质原子代替一部分溶剂原子占据溶剂晶格某些结点位置所组成的固溶体。间隙型固溶体：溶质原子进入溶剂晶体间隙位置所形成的固溶体。由于溶剂晶体间隙有限，能填入异质原子或离子的数目也有限，因此间隙型固溶体是有限固溶体。20.NaCl晶体的晶胞棱长为 0.558nm ，试计算NaCl的晶格能。21 .高分子材料的聚态结构有哪些？晶态结构，非晶态结构，取向态结构，液晶态结构以及织态结构22

7、 .简述高分子链的柔顺性与其结构的关系。主链结构主链结构对高分子链柔顺性影响很显著。(1)碳链高分子：a 不饱和碳链高分子比饱和碳链高分子柔顺。PB>PE IR>PP PVC>CRb 主链含有苯环的高分子和有共羯双键的高分子柔顺性差。聚苯酸(PPO)聚苯聚乙快(2)杂链高分子和元素高分子：Si-O >C-N> C-O>C-C硅橡胶尼龙类 酯类烯类侧基-侧基的极性、体积和对称性(1)极性侧基极性的大小：极性越大，链的柔顺性越小。PAN > PVC > PP极性多少：极性基增多，则柔顺性减小。氯化聚乙烯当含氯量小时是一种弹性好的橡胶，随着含氯量的增加

8、，链的柔顺性下降，弹性下降最后变形一种硬质材料。聚乙烯 > 聚氯乙烯> 1,2聚二氯乙烯对称性：取代基对称分布时，柔顺性好聚偏二氯乙烯 >聚氯乙烯(2)非极性侧基当侧基是柔性时，侧基越长，链的柔性越好。聚甲基丙烯甲酯< 聚甲基丙烯乙酯 < 聚甲基丙烯丙酯当侧基是刚性时，侧基体积增大，空间位阻效应增加，柔顺性下降.PE > PP > PS > 聚乙烯基咔座当侧基对称时，柔顺性增加.PP < PIB支化与交联(1)支化：长支化-分子链之间的物理缠结作用增加，分子链活动受阻，柔顺性下降。短支化-分子链间距离增大，柔顺性增加。(2)交联：轻度交联-

9、不影响链的活动能力，柔顺性不变。高度交联-链的活动受阻，柔顺性下降。氢键及分子间作用力如果高分子在分子内或分子间形成氢键，则分子链的刚性增加。聚乙烯 > 聚甲醛23 .什么是液晶聚合物？高分子液晶有哪几种结构类型？兼具晶体的光学性质和液体流动性质，是某些物质在熔融态或在溶液状态下所形成的有序流体的总称液晶是介于完全有序晶体与 各向同性 液体之间的一种中间状态,确切地说，它是一种取向有序的流体，它既有液体的易流动性，又有晶体双折射各向异性的特性。按液晶形成的方式和性能分类a、溶致性液晶：在溶液中当达到某一临界浓度以上时呈现液晶性能聚对苯二甲酰对苯二胺(Kevlar)聚对苯酰胺聚对苯撑苯并曝

10、口坐b.热致性液晶：聚合物加热至熔点以上某一个温度范围呈现液晶性能。液晶的物理结构主要是指分子在空间的排列状态。高分子液晶与小分子液晶一样，也可以呈现三种不同的聚集状态，即向列型、近晶型和胆管型液晶态。第四章4.埃灵罕姆图上大多数斜线的斜率为正，但是反应C+O2-CO2的斜率为0,反应2C+O 2=2CO的斜率为负，请解释原因。G°= H0 - T ZB0ZG0与温度T关系式的斜率为-3°C (s) +O 2 (g) - CO2 (g)氧化过程气体数目不变，则4 S0=0,(-少°) =0,斜率为零。2C (s) +O2 (g) =2CO (g)氧化过程气体数目增

11、加，则4 S0>0,(-与0) <0,斜率为负。第五章1 .什么是湿法冶金？湿法冶金有什么优点？答：湿法冶金是利用一些化学溶剂的化学作用，在水溶液或非水溶液中进行包括氧化，还原,中和，水解和络合等反应。优点：原料中有价金属综合回收程度高，有利于环境保护，并且生产过程较易实现连续化和自动化。2 .从金属的结构特点，说明制备非晶态金属的关键是什么？必须形成原子或分子混乱排列的状态；必须将这种热力学上的亚稳态在一定的温度范围内保存下来，使之不向晶态转变。3 .陶瓷的固相烧结一般可分为哪几个阶段?答：3个阶段：初始阶段：主要表现为颗粒形状改变；中间阶段：主要表现为气孔形状改变；最终阶段：主

12、要表现为气孔尺寸改变。4 .聚合实施方法有哪几种？哪些方法适合于制备颗粒状聚合物？答：4种：本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合。悬浮聚合适用于制备颗粒状聚合物。5 .提拉法中，控制晶体品质的因素主要有哪些？答:提拉法中，控制晶体品质的主要因素有固液界面的温度梯度、生长速率、转晶速率以及 熔体的流体效应等。6 .单晶硅棒和厚度约1 pm的薄膜分别可用什么方法制备 ？答：(1)单晶硅棒可以用晶体生长技术中的提拉法来制备，即将硅原料熔体盛放在增锅中，籽晶杆带着籽晶由上而下插入熔体，由于固液界面附近的熔体维持一定的过冷度，熔体沿籽晶结晶，以一定速度提拉并且逆时针旋转籽晶杆，随着籽晶的逐渐上升，生长

13、成单晶硅棒。(2)厚度约1 m的单晶硅薄膜可用阴极溅射法制备，即利用高能粒子轰击固体靶材表面(Si)使得靶材表面的原子或原子团获得能量并逸出表面，然后在基片的表面沉积形成单晶硅薄膜。7 .液相外延法和气相沉积法都可制备薄膜，如果要制备纳米厚度的薄膜，应采用哪种方法？答:液相外延法具有设备简单、纯度高的特点，但是由于晶体成核和生长的速率较快，得到的膜较厚，很难得到纳米厚度的薄膜。 物理气相沉积可通过调控蒸镀源与靶之间的距离来调控膜沉积的速率，化学气相沉积可通过体系的温度、压力等因素来调控膜沉积的速率。因此,如果要制各纳来厚度的薄障，应采用气相沉积法比转奸。8 .CVD法沉积Si0:可通过哪些反应

14、实现？写出相关化学方程式。答:CVD法沉积Si0:可通过以下几种反应来实现。(1)烷氧化物的热分解：Si(OC 2H 5)4 Si02 + C 2H4 + H 20(2)硅化合物的氧化反应 :SiCl4(g) + O 2 (g) -Si02(s) + 2C1 2(g)SiH4(g)+ O 2(g) -Si0 2(s)+2H 2(g)SiC1 4(g)+2C0 2+2H 2(g) 一 Si02(s)+4HC1(g)+2C0(g)(3)硅化合物的水解反应 :SiCl4(g) + 2H 20(g) -Si02(s) + 4HC1(g)9 .用什么方法可以对 Cu和Cu2O进行分离？写出相关化学方程式

15、。答:对Cu和CU20进行分离，可以采用化学气相输运技术，以 HCl作为输运气体。过程Cu(s)+HJCm际条 CuClCg)+ -H2(g).Q中发生如下反应：2CuQ(S) 4- 2IICl(g)=2CuCl(g)- II2fg) +Q490Q C由于从Cu20生成CuCI为放热反应，而从Cu生成CuCI为吸热反应，因此CU20在较高温度处沉积，而 Cu则在较低温度处沉积，从而可以对Cu和Cu20进行分离。?请解释。10 .溶胶一凝胶法制备纤维材料，应采用怎样的条件较合适答:溶胶一凝胶法制备纤维材料，应在拉纤阶段控制合适的粘度，选择合适的催化剂，选择合适的成纤方法。因为拉纤阶段溶胶的粘度会

16、影响纤维的直径和纤维的质量，粘度大时得到的纤维直径较大，粘度小时得到的纤维直径较小。其次，因为是要得到纤维材料，所以缩聚的中间体应该是线形分子链，所以应使用酸催化，因为碱催化会得到三维网络结构的中间体。此外，如果要得到长纤维的话，可以用拉纤法，而要得到短纤维的话，应采用离心喷出法。11 .怎样用均匀沉淀法合成硫化锌颗粒？写出相关化学方程式。答:用均匀沉淀法合成ZnS颗粒，可以采用硫代乙酬:胺 (CH3CSNH 3)作为硫源，以乙酸锌(CH 3c00)2Zn)为原料制得，反应方程式如下 ：CH3CSNH2 - CH3CN+H 2s(CH3c00)2Zn+ H 2S-ZnS +2CH 3COOH1

17、2 .有两种活化能分别为 Qi=83.7KJ/mol 和Q2=251KJ/mol的扩散反应。观察在温度从25 C升高到600 C时对这两种扩散的影响，并对结果做出评述。k=Aexp (-& k/RT )D=D 0exp(-Q/RT)Q为扩散活化能，从上两式可见，温度上升时，无论反应速率常数还是扩散系数都是增加的，但由于扩散活化能通常比反应活化能小，从而温度的变化对化学反应的影响远大于对扩散的影响。一般认为温度升高均有利于反应进行，因为温度升高，固体结构中质点热振动动能增大，反应能力和扩散能力均得到增强的原因所致。13 .简述影响固相反应的因素。反应物的化学组成、特性和结构状态温度和压力

18、；其他可能影响晶格活化，促使物质内外传输的因素等。反应物形态、反应物间比例、反应条件。14 .简述自蔓延高温合成法原理。是利用反应物之间的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。原理是外部热源将原料粉或预先压制成一定密度的坯件进行局部或整体加热，当温度达到点燃温度时撤掉外部热源，利用原料颗粒发生的固体与固体反应或固体与气体反应放出的反应热，使反应继续直至反应完毕。15 .自组装发生的条件是什么？非共价键的弱相互作用力协同作用是自组装的驱动力，它为自组装提供能量， 维持自组装体系的结构稳定和完整性。导向作用，即结构单元在空间的互补性，也就是说要使自组装的发生，必须在空间尺寸上达到结构

19、单元重排的要求。期中试卷一、名词解释1 .材料：材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。2 .相律：是研究相平衡的基本规律 ，表示平衡物系中的自由度数 ，相数及独立组分数之间的关系。3 .势能阱：4 .置换固溶体：是指溶质原子占据溶剂晶格部分正常位置所形成的固溶体，即溶剂原子在晶格中的部分位置，被溶质原子所替换。5 .间隙固溶体：指溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是填入溶剂原子间的一些间隙中。6 .晶格能：处于气态的离子结合生成固态离子晶体时释放的能量7 .表面能：恒温、恒压、恒组成情况下，可逆地增加物系表面积须对物质所做的非体积功。表面能的另一种定义是，表面粒子相

20、对于内部粒子所多出的能量。8 .表面张力：液体表面任意二相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力。9 .润湿：10 .自憎现象：二、填空1 .填写下列表格结构型式CsCl 型萤心反萤心闪锌矿用金红牛型化学组成比n+/n-1:11:11:22:11:11:2负离子堆积方丛4*k方最简单立方堆积立力最咨曾堆在堆积正负离子配位数比 CN/CN6:68:44:81:16:3实例CsClNaClCaFNaOZnS2 .将下列相图中单相区两相区标志清楚，并解释所有的点线面。液相线：ABCD 固相线：AHJEC五个单相区：液相区：ABCD以上(L)固溶体：AHNA丫奥氏体相区：NJESGNa铁素

21、体相区GPQG渗碳体相区：DFKL(Fe 3C)铁碳相图中点、线、相区及其意义L+Aa I149萨一O.OOOBFe122? r j>912Y? l-727TC浓翻线t ABCD固椀域t AHJEC一ABC 0以上液相匡AHN AT固溶体EsNJESGI4奥氏* 相区i V虚A/cFeSC)C%三、解答题1 .材料按其组成和结构可以分为哪几类？如果按功能和用途对材料分类，列举十种不同功能或用途的材料。答：(1)金属材料，无机非金属材料，高分子材料，复合材料(2)导电材料、绝缘材料、生物医用材料、航天航空材料、能源材料、电子信息材料、感光材料。2 .原子间的结合键共有几种？各自特点如何？特

22、点键强形成晶体的特点离了键无饱和性、无力向性、高配最强高熔点、高强度、高硬度、低膨胀位数。系数、塑性较差、固态/、导电、熔态离子导电。共价键有饱和性、后方向性、低配强高熔点、高强度、高硬度、低膨胀位数系数、塑性较差、在熔态也不导电。金属键电子共有化，可以自由流动；无饱和性、无方向性、配位数高较强塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性。范德华键无饱和性、无方向性加氢键后饱和性、后方向性弱3 .埃灵罕姆图上大多数斜线的斜率为正，但是反应C+O2-CO2的斜率为0,反应2C+O 2=2CO的斜率为负，请解释原因。G°= H0 - T ZB0&0与温度T关系式的斜率为-3°C

23、 (s) +O 2 (g) - CO2 (g)氧化过程气体数目不变，则4 S0=0,(-少°) =0,斜率为零。2C (s) +O2 (g) =2CO (g)氧化过程气体数目增加，则 S0>0,(-与0) <0,斜率为负。4 .解释铝材为何不易生锈，铁容易生锈，谈谈化学腐蚀和电化学腐蚀各自的特点及机理。5 .简述鲍林规则(5条)(1) .配位多面体规则，其内容是：“在离子晶体中,在正离子周围形成一个负离子多面体，正负离子之间的距离取决于离子半径之和，正离子的配位数取决于离子半径比。”(2)电价规则 指出：“在一个稳定的离子晶体结构中，每一个负离子电荷数等于或近似等于相邻正离子分配给这个负离子的静电键强度 的总和,其偏差W 1/4价”。静电键强度 S=正离子数Z+/正离子配位数n