材料化学课后题答案.ppt

1、1,什么是材料化学？其主要特点是什么？,材料化学是与材料相关的化学学科的一个分支，是与材料的结构、性质、制备及应用相关的化学。,材料化学的主要特点是跨学科性和实践性,2,材料与试剂的主要区别是什么？,试剂在使用过程中通常被消耗并转化成别的物质,材料则一般可重复、持续使用，除正常损耗外，它不会不可逆地转变成其他物质,3,简述材料化学的主要研究内容,结构：组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布,性能：材料固有的化学、物理及力学方面的性能,制备：将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续的过程,应用,4,材料中的结合键有哪几种？各自的特点如何？对材料的特性有何影响？,5,

2、各种结合键主要特点比较,6,计算体心立方结构和六方密堆结构的堆积系数,单位晶胞原子数 n = 2,bcc,（1）体心立方,7,（2）六方密堆,hcp,n = 6,8,fcc,n = 4,（3）面心立方,9,已知K+和Cl-的半径分别为0.133 nm 和0.181 nm，试分析KCl的晶体结构，并计算堆积系数,解：因为r+/ r- = 0.133/0.181 = 0.735，其值处于0.732和1.000之间，所以正离子配位数应为8，处于负离子立方体的中心，属于下面提到的CsCl型结构。,a0 = 2r+ + 2r- = 2(0.133) + 2(0.181) = 0.628 nm a0 =

3、0.363 nm,2r+2r -,10,简要回答晶体和非晶体的区别和转化,从空间结构上来说，晶体长程；短程都有序，非晶体长程无序短程有序。,宏观性质来说，（1）晶体具有整齐、规则的几何外形；非晶体没有一定的几何形状。（2）晶体具有各向异性；非晶体各向同性。（3）晶体有固定的熔点；非晶体没有。,从热力学来说，晶体为热力学稳定状态；非晶体热力学不稳定。,区别：,转化：,非晶体容易向晶体转化，而晶体只有在极端的条件下（如骤冷）才可以向晶体转化,11,Chapter2 Structure of Materials,固溶体与溶液有何异同？固溶体有机种类型？,相同点：都有两种或两种以上的组分组成；都可以形

4、成分散均匀、稳定的单一相，都存在溶解度,不同点：状态不同，溶液为液态，固溶体为固态；结构不同，固溶体的溶质结构和溶剂相似，溶液只有在稀溶液时才相同；性质不同，固溶体的性质与溶剂有关，但溶液只有在稀溶液时才相同。,分类：固溶体分为置换型固溶体和填充型固溶体,12,试述影响置换型固溶体的固溶度的因素,Hume-Rothery经验规则,当 时，溶质与溶剂之间可以形成连续固溶体； 当 时，溶质与溶剂之间只能形成有限型固溶体； 当 时，溶质与溶剂之间很难形成固溶体或不能形成固溶体，而容易形成中间相或化合物。,（1）原子或离子尺寸的影响,13,Chapter2 Structure of Materials

5、,（2）电价因素,一般来说，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，才可能满足电中性的要求，生成连续固溶体。,（3）离子类型和键性,化学键性质相近，即取代前后离子周围离子间键性相近，容易形成固溶体。,（4）晶体结构类型的影响,溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连续固溶体,14,Chapter2 Structure of Materials,说明下列符号的意义,VNa,Na脱离开原来的位置，形成的空位,Na+脱离开原来的位置，形成的空位， 有效电荷为-1,Cl-脱离开原来的位置，形成的空位，有效电荷为+1,CaK,Ca2+ 取代K+而进入K+的位置，有效电荷为+1,CaCa,Ca取

6、代Ca而进入占据Ca的位置,Ca2+进入间隙位置，有效电荷为+2,15,Chapter2 Structure of Materials,写出CaCl2溶解在KCl中的各种可能的缺陷反应式,Ca2+取代K+，Cl-进入Cl-晶格位置： Ca2+取代K+，Cl-进入间隙位置： Ca2+进入间隙位置，Cl-占据晶格位置：,16,试求下图中所示方向的密勒指数,17,试求下图中所示面的密勒指数,A面：朝x方向平移一晶格参数，则x1，y，z 故为（1,0,0）,B面： x1，y-1，z 1/2 故为（1,1,1/2），即（1,1,2）,C面： x1，y1，z -3/4 故为（1,1,-3/4），即（1,1

7、,-4/3） 即（3,3,4）,18,D面：x1，y1/3，z 故为（1,1/3, ）， 即为（1,3,0）,E面：x0，y0，z ,故须平移，朝x方向平移一晶格参数，则 x1，y-1，z 故为（1,-1, ），即为（1,1,0）,F面： x0，y0，z 1/2,故须平移，朝x方向平移一晶格参数，则 x1，y-1，z 1/2 故为（1,-1, 1/2 ），即为（1,1,2）,19,用固体能带理论说明什么是导体、半导体、绝缘体？,2.1.3.5 Electrical property,满带：充满电子的能带 空带：部分充满或全空的能带 价带：价电子填充的能带 禁带：导带及满带之间的空隙,导带,20

8、,导体：价带未满，或价带全满但禁带宽度为零，此时，电子能够很容易的实现价带与导带之间的跃迁。,半导体：价带全满，禁带宽度在0.1-3eV之间，此时，电子可以通过吸收能量而实现跃迁。,绝缘体：价带全满，禁带宽度大于5eV，此时，电子很难通过吸收能量而实现跃迁,21,有一根长为5 m，直径为3mm的铝线，已知铝的弹性模量为70Gpa，求在200N的拉力作用下，此线的总长度。,=5.002m,22,试解释为何铝材不易生锈，而铁则较易生锈?,铝在空气中可以生成致密得氧化物膜，阻止与空气得 进一步接触，所以不易生锈,铁在空气中生成疏松得氧化物膜，不能隔绝空气；特 别是铁在潮湿得空气中能够发生电化学反应，

9、因此加 大了锈蚀，所以铁较易生锈。,23,为什么碱式滴定管不采用玻璃活塞?,玻璃的主要原料为SiO2， 而SiO2为酸性氧化物，因 此，容易在碱性条件下发生化学反应:,SiO22NaOHNa2SiO3H2O,造成活塞失灵。,24,何种结构的材料具有高硬度？如何提高金属 材料的硬度？,由共价键组成的材料具有高的硬度，离子键次之。,金属材料在形成固溶体或合金时可以有效地提高金 属材料的硬度。,25,热膨胀受什么因素影响？试用势能图说明,热膨胀主要受到键强的影响，键强越强，热膨胀越弱。 此外，组织结构也对热膨胀有影响。结构紧密的固体， 膨胀系数大。,26,27,Cs熔体的标准吉布斯自由能（单位为J）

10、与温 度T（单位为K）的关系为 Gm2100-6.95T， 求熔点,到熔点时Gm0,T,2100,6.95,302.2K,即29.2,28,通过埃灵罕姆图解释为何碳在高温下可以用作 金属氧化物还原剂,对于该反应式从图中可以看出，其温度越高， G0的负值越大，其稳定性也就越高，即该反应中碳的还原性越强。,29,埃灵罕姆图上大多数斜线的斜率为正，但反应 C+O2=CO2的斜率为0，反应2C+O2=2CO的斜 率为负，请解释原因,氧化过程气体数目不变，则S0=0, (-S0)=0，斜率为零。,G0与温度T关系式的斜率为-S0,氧化过程气体数目增加，则S00, (- S0)0，斜率为负。,30,吉布斯

11、相律通常为f=c-p+2，为什么在固体材料 的研究中，相律一般可表达成f=c-p+1,相律式中的2表示温度和压力，但对于固体材料来说，压力的影响不大，只受温度的影响，所以相律表达为f=c-p+1。,31,一合金的成分为90Pb-10Sn。（a）请问此合金 在100、200、300时含有哪几种相？ （b）在哪个温度范围内将将只有一相存在？,300时，此合金含晶体和液体L,200时，此合金只含有晶体,100时，此合金含有晶体和,在140到275时，此合金只有一相存在。,32,固溶体合金的相图如下图所示，试根据相图确定： （a）成分为40B的合金首先凝固出来的固体成分是？ （b）若首先凝固出来的固体

12、成分含60B，合金成分为？ （c）成分为70B的合金最后凝固的液体成分是？ （d）合金成分为50B，凝固到某温度时液相含有40 B， 固体含有80B，此时液体和固体各占多少分数？,（a）80B,（b）20B,（c）25B,（d）WL/W(C-C0)/(C0-CL),=(80%B-50%B)/(50%B-40%B),=3/1,所以液体占25，固体占75,33,黑色金属：,铁、钴、锰金属及它们的合金,有色金属：,马氏体：,奥式体：,超耐热合金：,除铁、钴、锰之外的金属,碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体,碳溶解在-Fe中形成的过饱和固溶体,能在7001200高温下仍能长时间保持所 需力学性能，具抗氧

13、化、抗腐蚀能力，且能 满意工作的金属材料通称超耐热合金。,34,金属间化合物：,金属固溶体：,一个（或几个）金属组元的原子溶入另一 个金属组元的晶格中，而仍保持另一金属 组元的晶格类型的固态晶体。,形成金属固溶体后，继续增大溶质金属的 量，溶质析出与溶剂反应，形成一种晶格 类型及性能与任意合金组元不同新相,35,简述形状记忆合金的原理,形状记忆效应源于某些特殊结构合金在特定温度下发生的 马氏体奥氏体相组织结构的相互转化。当温度降低时， 面心立方结构的母体奥氏体逐渐转变成体心立方或体心四 方结构的马氏体，温度上升时，马氏体又会向奥氏体转变， 最终恢复到原来的形状。,36,介绍储氢合金类别，并说明

14、其储氢、释氢化学过程,储氢：一个金属原子能与两个、三个甚至更多的氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量。 释氢：将其稍稍加热，氢化物又会发生分解，将吸收的氢释放出来，同时吸收热量。,37,讨论储氢合金在镍氢电池领域的工作原理,充电时，金属作为阴极电解KOH水溶液时，生成的氢 原子在材料表面吸附，继而扩散入电极材料表面进行 氢化反应生成金属氢化物；放电时，金属氢化物作为 阴极释放所吸收的氢原子并氧化为水。电极反应为：,充电：,M+H2O+e-,MH+OH-,Ni(OH)2+OH-,NiOOH+H2O+e-,放电：,MH+OH-,M+H2O+e-,NiOOH+H2O+e-,Ni(OH)2+

15、OH-,38,超塑性合金一般具有怎样的结构特点？,超塑性合金的组织结构基础是晶粒一般为微小等 轴的晶粒。,39,非晶态金属材料一般如何制得？它具有什么突 出性能特点？结构上是热力学稳定体系吗？,非晶态合金一般通过电镀、激光法及熔体旋辊急冷 法制备。,性能特点:（1）高强度高韧性的力学性能 （2）高导磁、低铁损的软磁性能 （3）耐强酸、强碱腐蚀的化学特性 （4）电性能提高,结构上为热力学亚稳体系,40,一般金属材料是否为单晶态金属结构？,一般金属材料为多晶态金属结构,41,玻璃体：,熔体冷却后呈坚硬无定形状态的无机物,陶瓷：,所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程

16、而制成的各种制品,p-型半导体：,以空穴为载流子的半导体,蒙脱土：,两个四面体片夹一八面体片组成一个晶片，八面体片中，部分Mg取代Al而使层片带负电，多余电荷由层间阳离子中和。,42,结构陶瓷:,作为工程结构材料使用的陶瓷材料,高岭土：,四面体片与八面体片通过共用氧原子结合成一个晶片，晶片间以氢键相连，水化时基本不膨胀。,介电陶瓷：,具有介电性能的陶瓷，即在电场作用下带电粒子只能产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质的陶瓷。,铁电陶瓷：,具有铁电性能的陶瓷，即在除去外电场后仍保持部分极化状态的陶瓷,43,压电陶瓷：,具有压电效应，能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。,超导体：,具有在超低温下失去电阻性质的物质。,44,材料科学中得三大基础材料是什么？,金属材料、无机非金属材料及高分子材料,45,硅酸盐玻璃与硅酸盐陶瓷结