材料化学第二版(曾兆华版)课后答案

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

键

特点形成晶体的特点

强

高熔点、高强度、高硬度、

无饱和性、无方向性、最低膨胀系数、塑性较差、

离子键

高配位数。强固态不导电、熔态离子导

电。

高熔点、高强度、高硬度、

有饱和性、有方向性、

共价键强低膨胀系数、塑性较差、

低配位数

在熔态也不导电。

电子共有化，可以自

较塑性较好、有光泽、良好

金属键由流动；无饱和性、

强的导热、导电性。

无方向性、配位数高

无饱和性、无方向性

范德华最

键弱

氢键有饱和性、有方向性弱

3.计算体心立方及六方密堆的的堆积系数。

(1)体心立方

单位晶胞原子数n=2

(2)六方密堆M=Ma=>a=R

V3

匕_2(4切?3/3)_2(4•3/3)=0

=

"6输'/"(4〃/府一

c=578/

3=27?

(3)醺，冲别成3/3)6(4//3)

6cda•—a)12凡8(彳,扬

22V3

n=4

4R=岳=>a_4R

V2

匕_4(4切?3/3)=43”)=07

枭=

a(4A/扬3

10.单质Mn有一种同素异构体为立方结构，其晶胞参数为，密度

=gcm-3,原子半径r二,计算Mn晶胞中有几个原子，其堆积

系数为多少

ftM

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

"alNA

=7.26xg326xx6.02)10*'

54.94

=20.I39丰20假

每箪位晶胞有20I0原子。

4

20xw2

堆稹因子:---5-----------

粤nX(1.12A),

"(6.326X)'

=0.46493

11.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)；

⑴均一性：溶液各处的密度、组成和性质完全一样；

⑵稳定性：温度不变，溶剂量不变时，溶质和溶剂长期不会分离；

⑶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：

"=勺二2x100%,Ar<15%,形成连续固溶体；15%<Ar<

30%,形成有限固溶体；>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，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。

晶体的晶胞棱长为，试计算NaCI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.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>PEIR>PPPVOCR

b主链含有苯环的高分子和有共机双键的高分子柔顺性差。

聚苯能(PP0)

聚苯

聚乙烘

(2)杂链高分子和元素高分子：

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

硅橡胶尼龙类酯类烯类

侧基一侧基的极性、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，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>聚乙烯基咔哇

当侧基对称时，柔顺性增加.

PP<PIB

支化与交联

(1)支化：

长支化一一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。

短支化一一分子链间距离增大，柔顺性增加。

(2)交联:

轻度交联一一不影响链的活动能力，柔顺性不变。

高度交联一一链的活动受阻，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噫唾

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

胆给型液晶态。

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+O2TCO2的斜率

为0,反应2C+02=2C0的斜率为负，请解释原因。

△G°=AH°-TAS0ZiG。与温度T关系式的斜率为-Z\S°

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

氧化过程气体数目不变，则△S°=0,(-AS0)=0,斜率为零。

=

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

氧化过程气体数目增加，则△S°>0,(-AS0)<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

①必须形成原子或分子混乱排列的状态;

②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：①初始阶段：主要表现为颗粒形状改变；

②中间阶段：主要表现为气孔形状改变；

③最终阶段：主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1um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，生长成单晶硅棒。

⑵厚度约1|im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。

法沉积SiO:可通过哪些反应实现写出相关化学方程式。

答:CVD法沉积SiO：可通过以下几种反应来实现。

(1)烷氧化物的热分解：Si(OC2H5)4一Si02+C2H4+H20

(2)硅化合物的氧化反应：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)硅化合物的水解反应：SiClKg)+2H20(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。

答：对Cu和CwO进行分离，可以采用化学气相输运技术，以HCI作

c，、­，、«$00℃、1-，、

为输运气体。过程Cu(s)+HCl(g)<2CuCl(g)+H2(g).Q

50TC2

中发生如下反应：cup(s)十2IICl(g)<==^2CuCl(g)+II2(g)+Q

L900C

由于从CwO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。

10.溶胶一凝胶法制备纤维材料，应采用怎样的条件较合适请解释。

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

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，可以采用硫代乙配胺(CH3CSNH3)作为

硫源，以乙酸锌(CHsCOO'Zn)为原料制得，反应方程式如下：

CH3CSNH2tCH3CN+H2s(CH3COO)2Zn+H2ST

ZnS+2CH3COOH

12.有两种活化能分别为Q尸mol和Q2=251KJ/mol的扩散反应。观察在

温度从25℃升高到600℃时对这两种扩散的影响，并对结果做出评

述。

k二Aexp(-AGk/RT)D=Doexp(-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；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

①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。

②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型岩盐型萤石反萤石闪锌矿型金红石型

化学组成比n7n1:11:11:22:11:11:2

立方最简单立立方最密

负离子堆积方式

密堆积方堆积堆积

正负离子配位数

6:68:44:81:16:3

比CN7CN

实例

CsClNaClCaF2Na2OZnS

2.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

Y奥氏体相区：NJESGN

a铁素体相区GPQG

渗碳体相区：DFKL(Fe3C)

铁碳相图中点、线、相区及其意义

液相线

L+6tABCD

1538PA固相线：AHJEC

五个单相区：

149^C一

[)ABCD以上液相R

(L)

温

度卜AHNA—5固溶体

(5)

NJESGF4—

912P-相区(V或A)

GPQG—铁素体木

727P'区(。或A)

DFKL—潍硬体杆

(Fe3C)

0.000869

Fec%

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

键

特点形成晶体的特点

强

高熔点、高强度、高硬度、

无饱和性、无方向性、最低膨胀系数、塑性较差、

离子键

高配位数。强固态不导电、熔态离子导

电。

高熔点、高强度、高硬度、

有饱和性、有方向性、

共价键强低膨胀系数、塑性较差、

低配位数

在熔态也不导电。

电子共有化，可以自

较塑性较好、有光泽、良好

金属键由流动；无饱和性、

强的导热、导电性。

无方向性、配位数高

范德华最

无饱和性、无方向性

键弱

氢键有饱和性、有方向性弱

3.埃灵罕姆图上大多数斜线的斜率为正，但是反应C+O2TCO2的斜率

为0,反应2CH)2=2C0的斜率为负，请解释原因。

△G°=AH°-TAS0与温度T关系式的斜率为-aS。

C(s)+02(g)-►CCb(g)

氧化过程气体数目不变，则△S°=0,(-AS0)=0,斜率为零。

=

2C(s)+。2(g)2C0(g)

氧化过程气体数目增加，则△S°>0,(-AS0)<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