材料化学试题精选

1简答题1、用能带理论说明金属、半导体和绝缘体的区别。答：根据晶体的能带理论，金属晶体中布里渊区一般有重叠，且部分充填。同一区相邻状态相应的能级非常接近，只要很下的电场就能把电子提升到相邻的较高能级，导电性好；（2分）半导体物质，第一布里渊区是填满的，和空的第二布里渊区之间只有较小的能量间隙，温度升高时，第一布里渊区顶部的电子受到激发，进入到第二布里渊区底部，向自由电子一样，在外加电场的作用下，表现出导电性；温度越高，激发到第二布里渊区的电子越多，其导电性也越强；（2分）绝缘体物质，电子填满最低的一系列能带，满带与空带之间的能量间隙很大，电子不能被激发到空带中，因此不能导电。（2分）2、什么是非化学计量化合物？试举几个常见的例子（至少三个）。答：非化学计量化合物是指化合物原子数量的比例,不符合定比定律,即非简单的固定比例关系。（3分）例如化合物：Zn1+δ、KδWO3、TiO1+δ3.试指出NaCl、CsCl晶胞中粒子的种类，数目及它们所属的点阵型式。粒子的种类粒子的数目点阵型式NaClNa+,Cl-4,4立方面心CsClCs+,Cl-1,1简单立方4.试述晶子学说与无规则网络学说的主要观点，并比较两种学说在解释玻璃结构上的共同点和分歧。答：晶子学说：认为玻璃由无数“晶子”组成，带有点阵变形的有序排列区域，分散在无定形介质中，晶子区到无定形区无明显界限。在这些模型中，人们假定其中存在着极小的有序区或微晶体，他们被无序区连接到一起。无规则网络学说：该理论认为玻璃的结构中包含许多小的结构单位（如由中心的硅和四角的4个氧通过共价键结合而成的四面体），这些小结构单位彼此之间可以键合成链状，或由其它金属离子沿顶角键合，连结成很不规则的三维网络。此结构缺少对称性或长程有序性，为保持电中性，每个角顶氧原子仅在两个四面体之间公用，因而该结构是颇为6简述陶与瓷的区别？答：陶器的吸水性一般大于3％而瓷器一般不大于3％；陶器不透光而瓷器透光；陶器胎体未玻化或玻化程度差、断面粗糙而瓷器玻化程度高、结构致密、细腻，断面呈石状或贝壳状；陶器敲击声沉浊而瓷器清脆。试述玻璃的结构特征及其通性。参考：玻璃的内部结构无长程周期性。一般公认的玻璃态SiO2的结构是由1932年Zachariasen提出的无规则网络学说，并在1936年被Wanen以X射线衍射工作所支持。该理论认为玻璃的结构中包含许多小的结构单位（如由中心的硅和四角的4个氧通过共价键结合而成的SiO44-四面体），这些小结构单位彼此之间可以键合成链状，或由其它金属离子沿顶角键合，连结成很不规则的三维网络。此结构缺少对称性或长程有序性，为保持电中性，每个角顶氧原子仅在两个四面体之间公用，因而该结构是颇为开敞的。玻璃的特性主要表现在：①没有固定的熔点②各向同性③内能高④没有晶界⑤无固定形态⑥性能可设计性6、试述晶子学说与无规则网络学说的主要观点，并比较两种学说在解释玻璃结构上的共同点和分歧。参考：晶子学说：认为玻璃由无数“晶子”组成，带有点阵变形的有序排列区域，分散在无定形介质中，晶子区到无定形区无明显界限。在这些模型中，人们假定其中存在着极小的有序区或微晶体，他们被无序区连接到一起。无规则网络学说：该理论认为玻璃的结构中包含许多小的结构单位（如由中心的硅和四角的4个氧通过共价键结合而成的SiO44-四面体），这些小结构单位彼此之间可以键合成链状，或由其它金属离子沿顶角键合，连结成很不规则的三维网络。此结构缺少对称性或长程有序性，为保持电中性，每个角顶氧原子仅在两个四面体之间公用，因而该结构是颇为开敞的。8、什么是陶瓷，陶瓷有哪些特性？参考：陶瓷是指通过烧结包含有玻璃相和结晶相的特征的无机材料，一般由陶土或瓷土等硅酸盐，经过成型烧结，部分熔融成玻璃态，通过玻璃态物质将微小的石英和其它氧化物晶体包裹结合而成。陶瓷包括了陶器和瓷器，陶器是多孔透气的、强度较低的产品，此其时加了釉层、质地致密而不透气的、强度较高的产品。陶瓷具有以下性能特征：（1）力学性能：耐磨性、高强度难变形性、超高硬度等；（2）热血性能：耐热性、隔热性、导热性等；（3）光学性能：透光性、偏光透光性等；（4）电学和瓷学性能：绝缘性、导电性、离子导电性、压电性、介电性、磁性等；（5）生物和化学性能：生物体相容性、耐化学腐蚀性等。1、指出金属中键型和结构的主要特征。为什么可将金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题？答：（1）金属中键型是金属键，由于金属元素的电负性一般都比较小，电离能也较小，最外层家电子很容易脱离原子的束缚而在金属晶粒中由各个正离子形成的势场中比较自由的运动，形成自由电子。金属晶体中各金属原子的价电子公有化于整个金属大分子，所有成键点子可在整个聚集体中流动，而共同组成了离域的N中心键。在金属晶体中没有定域的双原子键，也不是几个原子间的离域键，而是所有原子都参加了成键，这些离域电子在三维空间中运动，离域范围很大。（2）因为整个金属单质晶体可以看作是同种元素的金属正离子周期性排列而成，这些正离子的最外层电子结构都是全充满或半充满状态，他们的电子分布基本上是球形对称的；而同种元素的原子半径都相等，因此可以把他们看成是一个个等径圆球。又因为金属键无饱和性和方向性，金属原子在组成晶体时，总是趋向于形成密堆积的结构，其特点是堆积密度大，相互的配位数高，能够充分利用空间，整个体系能量最低。所以可以用等圆球密堆积的模型来描述金属结构。1.纳米的基本涵义是什么?简述为什么纳米材料会表现出许多前所未有的新特性?答：纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100~102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。即纳米材料显现出纳米效应，具体表现为三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。由于纳米效应，纳米材料光学、热学、电学、磁学、力学乃至化学性质也就相应地发生十分显著的变化。因此纳米材料具备其它一般材料所没有的优越性能，可广泛应用于电子、医药、化工、军事、航空航天等众多领域，在整个新材料的研究应用方面占据着核心的位置。2.纳米材料可分为哪几类?答：纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。3.比较小尺寸效应和量子尺寸效应。答：纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性表现出改变而导致出现新的特性。当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高占据分子轨道(HOMO)能级和最低空轨道(LUMO)能级而使能隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。1.第一规则围绕每一个阳离子，形成一个阴离子配位多面体，阳离子处于中心位置，阴离子处于多面体的顶角；阴、阳离子的间距决定于它们的半径之和，阳离子的配位数则取决于它们的半径之比，与离子的价数无关。这就是Pauling第一规则，也称多面体规则。该规则表明，阳离子的配位数并非决定于它本身或者阴离子的半径，而是决定于它们的比值。如果阴离子作紧密堆积，则阳离子处于四面体空隙或者八面体空隙中，当正、负离子之间正好相互接触时，从几何关系上可以计算出四面体配位和八面体配位时的正、负离子半径比。图3-3(a)示出了阳离子填充在由阴离子作紧密堆积所形成的八面体空隙中，且所有离子都正好两两相切的图解。经过几何关系简单推导，即可得到如下关系：（3-12）当0.414时，阴离子相互接触而阴、阳离子不接触，这种状态是不稳定的，阴离子之间的斥力将迫使八面体配位结构瓦解，阳离子的配位数由6下降为4（四面体配位结构）（参见图3-3(c)）。所以，只要0.414，八面体配位结构就不可能稳定存在。当阳离子呈四面体配位结构，且阴、阳离子相互接触时，同样从几何关系可以导出：0.225。所以，当=0.225~0.414，是四面体配位结构稳定存在的正、负离子半径比范围。当0.414时，正、负离子仍可保持接触，但阴离子之间被撑开了，结构仍可稳定存在，只不过堆积密度有所下降（参见图3-3(b)），直至当=0.732时，阳离子允许有8个阴离子与其配位。所以，=0.414~0.732是八面体配位结构稳定存在的正、负离子半径比范围。离子晶体中阳离子经常出现的配位数是2、3、4、6、8、12，根据几何关系分别计算出临界值，表3-5列出了这些值以及相应的配位多面体形状。需要指出，对于稳定的离子晶体结构，基本上比较符合上表情况。但是，晶体结构往往受到多种因素的影响，在实际的晶体结构中可能出现不符合上表的情况。另外，当值处于边界值附近（如0.414、0.732），同一阳离子可能会出现不同的配位数。2.第二规则在稳定的离子晶体结构中，一个阴离子从所有相邻接的阳离子分配给该阴离子的静电键强度的总和，等于阴离子的电荷数。这个规则称为静电价规则或者Pauling第二规则。静电价规则对于验证晶体结构的稳定性是非常重要的，是必须严格满足的，因为任何物质都必须满足静电平衡原理。对于一个规则的配位多面体，中心阳离子分配给每个配位阴离子的静电键强度S，等于阳离子的电荷数Z+除以它的配位数CN+，即S=Z+/CN+。设阴离子电荷数Z-，阴离子配位数CN-，则有：，其中i是指某一负离子至每一个以负离子为顶点的多面体中央的正离子的静电键。在CaF2晶体结构中，Ca2+的配位数为8，则Ca2+分配给每个配位F-的静电键强度为S=2/8=1/4。F-的电荷数为1，因此，每个F-周围应该有4个Ca2+，即CNF-=4，它是4个Ca-F配位立方体的公共顶角。3.第三规则在晶体结构中，每个配位多面体以共顶方式连接，共棱连接，特别是共面连接方式存在时，会使结构的稳定性降低（图3-6）。此种效应对于高电价、低配位数的阳离子所形成的配位多面体是比较明显的，当正、负离子半径比接近某个配位数稳定存在范围的下限时，更为显著。其原因在于，共棱，特别是共面连接，使两个多面体的中心正离子之间的距离缩短，正离子之间的斥力很大，造成结构不稳定性。4.第四规则在一个含有多种阳离子的晶体中，电价高而配位数小的那些阳离子所形成的配位多面体不倾向于相互直接连接。这条规则实际上可以看成是第3条规则的延伸，高价、低配位数的阳离子配位多面体通过其他阳离子配位多面体连接而被隔开，有利于结构稳定性。5.第五规则在一个晶体结构中，本质不同的结构组元的种类，倾向于最少。此规则称为节约规则，也就是说，在一个晶体结构中，晶体化学性质相似的不同离子，将尽可能采取相同的配位方式，使本质不同的结构组元的数目尽可能少。二，判断题1、材料化学的特点是跨学科性和多样性。（×）2、在周期表中同周期从左到右电正性逐渐减小，同族由下到上逐渐减小。（√）3、在周期表中同周期从左到右原子半径逐渐减小，同族由下到上逐渐增大。（×）4、氢键的作用力强弱介于化学键与范德华力之间。（√）5、范德华键不具有方向性和饱和性，而离子键即有