材料化学期末考试预测题

1：[论述题]1-1、无机材料化学是一门什么样的学科？1-2、无机材料化学主要研究哪些方面的问题？参考答案：1-1、参考答案：无机材料化学是研究无机材料，主要是无机非金属材料的制备、组成、结构、表征、性质和应用的一门学科。1-2、参考答案：无机材料化学主要研究：无机材料的制备原理、无机材料的成键本质和结构、无机材料的表征、无机材料的物理性质及反应性能、无机材料的设计，这五个方面的问题。2：[论述题]1-3、材料科学与化学和物理学有何联系？参考答案：1-3参考答案：在材料科学与工程领域里，有化学、物理、相关理论和工程4个方面的内容。由于研究的对象不同，化学方面的内容又分为高分子化学和无机材料化学等。无机材料化学是材料科学的一个极重要的分支，又可以是化学学科的一部分，呈明显的交叉、边缘学科的性质。材料科学和物理、化学、相关理论及工程学的关系。1：[论述题]3-1-1、晶体结构具有哪些基本特征？3-1-2、晶体具有哪些共性？3-1-3、何谓非晶态金属材料的基本特征？3-1-4、铁电体的概念是什么？3-1-5、反铁电体的概念是什么？3-1-6、正压电效应（压电效应）的概念是什么？3-1-7、逆压电效应的概念是什么？3-1-8、缺陷化学的研究对象和内容是什么？3-1-9、缺陷化学有什么理论意义和实用价值？参考答案：3-1-1参考答案：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。3-1-2参考答案：由于具有周期性的空间点阵结构，晶体具有下列共同性质：均一性，即晶体不同部位的宏观性质相同；各向异性，即晶体在不同方向上具有不同的物理性质；自限性，即晶体能自发地形成规则的几何外形；对称性，即晶体在某些特定方向上的物理化学性质完全相同；具有固定熔点；内能最小。性能上两大特点：固定的熔点，各向异性。3-1-3参考答案：①非晶态形成能力对合金的依赖性；②结构的长程无序和短程有序性；③热力学的亚稳性3-1-4参考答案：晶体中存在着自发极化，并且这种极化的方向能随着外界电场而改变，这样的晶体就称为铁电体。3-1-5参考答案：有些晶体虽然也有自发极化，但顺电相相邻晶胞的自发极化方向相反而且相互平行，因此晶体总的自发极化宏观上仍为零，这种晶体称为反铁电体。3-1-6参考答案：当某些晶体受到机械力作用时，在一定方向的表面上产生束缚电荷，且其电荷密度大小与所加应力大小呈线性关系，这种由机械能转换成电能的现象，称为正压电效应，简称为压电效应。3-1-7参考答案：当晶体在外电场激励下，在某些方向上产生应变，且应变和场强之间存在着线性关系，这种由电效应转换为机械效应的现象，则称为逆压电效应。3-1-8参考答案：缺陷化学的研究对象是点缺陷，但不包括声子和激子。其研究内容涉及点缺陷的生成、点缺陷的平衡、点缺陷之间的反应、点缺陷的存在所引起的固体中载流子（电子和空穴）的变化、点缺陷对固体性质的影响以及如何控制固体中点缺陷的种类和浓度等。3-1-9参考答案：缺陷化学具有重要的理论意义和实用价值。固体中的化学反应，只有通过缺陷的运动。陶瓷材料在高温时能正常烧结的基本条件是：材料中要有一定的缺陷机构与缺陷浓度，以使许多传质过程能顺利进行。点缺陷对材料的性质也有重要的影响，例如，固体材料的导电性与缺陷关系极大。可以说，缺陷化学及其相关的能带理论，是无机材料化学中最重要的内容。正如West所说：在固态科学中，晶体缺陷的研究是一个活跃和迅速发展的领域。”2：[论述题]3-2-1、何谓非化学计量缺陷？3-2-2、何谓弗仑克尔缺陷？3-2-3、何谓肖特基缺陷？3-2-4、何谓色心（F色心）？3-2-5、何谓非整比化合物缺陷（化合物）材料？3-2-6、什么是纳米、纳米结构、纳米技术？3-2-7、纳米微粒的概念是什么？3-2-8、纳米固体的概念是什么？3-2-9、原子团簇的概念及特性是什么？参考答案：3-2-1参考答案：非化学计量化合物的晶格结点中带有空位，或含有处于间隙位臵的填隙原（离）子，存在着缺陷，在组成和结构两方面显示出非化学计量的特征；而热缺陷并不会造成组成的改变。非化学计量缺陷也是某些固体材料所固有的，尽管它的浓度不仅会随温度而变化，而且会随着周围气氛性质及其分压大小的改变而改变；但热缺陷一般与气氛无关。3-2-2参考答案：在形成热缺陷时，晶体中具有足够高能量的原（离）子离开其平衡位臵，挤入晶体中的间隙位臵，造成微小的局部晶格畸变，成为所谓填隙原子，而在其原来的位臵上形成空位，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。这种填隙原子是晶体本身所具有的，所以又称为自填隙原子，以区别于杂质原子。弗仑克尔缺陷的特点是填隙原子或离子与晶格结点空位成对出现，晶体内局部晶格畸变，但总体积不发生可观察到的改变。简言之，在晶格热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位臵后，挤到晶格间隙位臵，成为填隙原子，而在原来的位臵上留下一个空位，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。3-2-3参考答案：肖特基缺陷是由于晶体表面附近的原子热运动到表面，在原来的原子位臵留出空位，然后内部邻近的原子再进入这个空位，这样逐步进行而造成的，看来就好像是晶体内部原子跑到晶体表面来了。显然，对于离子晶体，阴阳离子空位总是成对出现；但若是单质，则无这种情况。除了表面外，肖特基缺陷也可在位错或晶界上产生。这种缺陷在晶体内也能运动，也存在着产生和复合的动态平衡。对一定的晶体来说，在确定的温度下，缺陷的浓度也是一定的。空位缺陷的存在可用场离子显微镜直接观察到。简言之，肖特基缺陷：正常结点上的原子，在能量起伏过程中获得足够的能量后，离开平衡位臵迁移到晶体表面正常结点位臵，在原来的位臵上留下空位。一般在结构比较紧密，没有较大空隙的晶体中或在阴、阳离子半径相差较小的晶体中比较容易形成肖特基缺陷。3-2-4参考答案：固体物理和固体化学里的一个相当大的领域与研究碱金属卤化物晶体中的色心有关，最典型例子是F色心。在20世纪20年代，Pohl根据颜色的德文单词Farbe，把这种缺陷称为F中心（F-centre，德文为Farbenzentre），后人习惯上把它改称为F色心。NaCl晶体在Na蒸气中加热会变成浅绿黄色，这种现象被认为F色心的形成有关。此时，1个Na原子扩散到NaC1晶体的内部时，是以过剩的Na＋存在，同时引入1个电子。为了保持晶格中Na＋和Cl?之间的位臵关系，会造成1个Cl?空位，这种阴离子空位称为α中心。这个失去了负电荷的空位带正电，能捕获由Na所引入的1个价电子，形成了所谓的F色心和1个Na＋。F色心是由1个阴离子空位和1个在此位臵上的电子组成的，它是个陷落的电子中心(atrapped-electroncentre)。一般来说，碱金属原子的价电子并不束缚在某个特定的原子或离子上，它可以迁移穿越过点阵，并最终束缚在卤素原子空位上。F色心实际上是没有原子核的价电子，或称为类氢原子。3-2-5参考答案：道尔顿的定比定律圆满地解释了有机化学中分子晶体的许多现象，虽然它有时需要加以修正，才能用以说明单键、双键、叁键、链状或环状化合物的结构问题。后来研究发现，这种严格按化学计量形成的化合物其实是一种很特殊的情况，大多数原子或离子晶体化合物并不符合定比定律，其正负离子的比，并不是一个简单、固定的值。它们呈现范围很宽的组成，并且组成和具体结构之间没有简单的对应关系(或化学同一性)，这些化合物被称为非化学计量化合物、非化学计量比化学物、非化学配比化合物或非整比化合物，或被称为偏离整比的化合物。3-2-6参考答案：纳米是一种度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即1毫微米，也就是十亿分之一米。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构，在这种水平上对物质和材料进行研究、处理的技术称为纳米技术。纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。3-2-7参考答案：纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒，它的尺寸大于原子团簇(cluster)，小于通常的微粉。在固体物理和分子化学中，常将含有几个到几百个原子或尺度小于1nm的粒子称为簇”，它是介于单个原子和固态之间的原子集合体。纳米微粒一般在1~100nm之间。3-2-8参考答案：由纳米微粒为主要构成成分，经一定工艺制备条件制得的体相材料，称纳米固体材料。包括块体材料和薄膜材料。3-2-9参考答案：是一类于20世纪80年代才发现的新的化学物种。它是几个至几百个原子的聚集体（粒径小于或等于1nm），如Fen，CunSm，CnHm（n和m为正数）和碳簇（C60,C70等）等。原子分子团簇简称团簇or微团簇（microcluster）是由几个至上千个原子、分子or离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体，其物理和化学性质随着所含的原子数目不同而变化。原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也不同于以弱的结合力结合的松散分子团簇和具有周期性的晶体。它们的形状多种多样，它们尚未形成规整的晶体。原子团簇有许多奇异的特性，如极大的比表面使其具有异常高的化学活性和催化活性、光的量子尺寸效应和非线性效应。1：[论述题]4-5、溶胶-凝胶法在材料制备中有哪些应用？4-6、何谓水热化学法（水热法）？4-7、与高温固态反应相比，水热合成氧化物粉末陶瓷具有何优势？4-8、何谓气相化学沉积（CVD）法？参考答案：4-5参考答案：由于溶胶-凝胶技术在控制产品的成分及均匀性方面具有独特的优越性，近年来己用该技术制成LiTaO2、LiNbO3、PbTiO3、Pb(ZrTi)O3和BaTiO3，等各种电子陶瓷材料。特别是制备出形状各异的超导薄膜、高温超导纤维等。在光学方面该技术己被用于制备各种光学膜，如高反射膜、减反射膜等和光导纤维、折射率梯度材料、有机染料掺杂型非线性光学材料等以及波导光栅、稀土发光材料等。在热学方面用该技术制备的SiO2-TiO2玻璃非常均匀，热膨胀系数很小，化学稳定性也很好；已制成的InO3-SnO2(ITO)大面积透明导电薄膜，具有很好的热镜性能；制成的SiO2气凝胶具有超绝热性能等特点。在化学材料方面用该技术制备的下列产品都具有独特的优点：超微细多孔滤膜具有耐温耐压耐腐蚀等特点，而且孔径可以调节；超细氧化物已被广泛应用在金属、玻璃、塑料等表面作为氧化物保护膜，其抗磨损和抗腐蚀能力大为增强；催化剂具有高比表面、大孔容和孔径均匀以及低的表观堆密度等特点；氧化物气敏材料具有良好的透气性、较大的比表面和均匀分布的微孔。4-6参考答案：水热法又称热液法，具有晶粒发育完整、粒径很小且分布均匀、团聚程度较轻、易得到合适的化学计量比和晶粒形态、不需高温煅烧和球磨等特点。4-7参考答案：(1)明显地降低反应温度和压力(100―200℃)；(2)能够以单一反应步骤完成（不需研磨和焙烧步骤)；(3)很好地控制产物的理想配比及织构形态；(4)制备纯相陶瓷（氧化物）材料；(5)可以大批量生产。4-8参考答案：是一种利用气相反应制备材料的重要合成方法之一。是挥发性原料化合物的蒸气通过化学反应合成所需要物质的方法。CVD是利用热能、等离子体放电或紫外光照射等形式的能源，使气态物质在固体表面上发生化学反应，并在该表面上沉积，形成稳定固态膜的过程。2：[论述题]4-1、软化学是什么？4-2、什么是软材料？4-3、什么是溶胶-凝胶技术？4-4、溶胶-凝胶法有哪些特点？参考答案：4-1参考答案：软化学是20世纪70年代初由德国固体化学家费尔（Schafer）提出来的。严格地讲，软化学与其说是一门新的学科，不如说是一种新材料的制备思路。在这种思路下产生了一系列新型材料的制备技术，开辟出了具有节能、高效、经济、环境友好的工艺路线。软化学合成正在将新材料制备的前沿技术从高温、高压、高真空、高能和高制备成本的物理、化学方法中解放出来，进入一个更广阔的空间！4-2参考答案：软材料：采用软化学（软化学合成法）方法，如溶胶--凝胶方法、水热法、前驱体法、共沉淀法、离子交换法及插入反应法等获得的材料。4-3参考答案：溶胶-凝胶技术是指金属有机或无机化合物经过溶胶-凝胶化和热处理形成氧化物或其它固体化合物的方法。其过程是用液体化学试剂（或粉状试剂溶