材料化学课后题答案

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类型键本身特点键合强弱形成晶体的特点离子键无饱和性、无方向性、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、低配位数强高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、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、无方向性最弱氢键有饱和性、有方向性弱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RaaR343468.0)3/4()3/4(2)3/4(23333bccRRaR＝单位晶胞原子数n=2bcc（1）体心立方7（2）六方密堆hcpRaac238n=674.0)3(3812)3/4(6)2321(6)3/4(633hcpRRRRaacR＝8fccRaaR2424n=474.0)2/4()3/4(4)3/4(43333fccRRaR＝（3）面心立方9已知K+和Cl-的半径分别为0.133nm和0.181nm，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)=0.628nma0=0.363nm2r++2r-33333304444()()(0.133)(0.181)33330.725(0.363)rra堆积系数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11Chapter2StructureofMaterials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。15.0121rrrr%30121rrrr%30~%15121rrrr（1）原子或离子尺寸的影响13Chapter2StructureofMaterials（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14Chapter2StructureofMaterials说明下列符号的意义'NaVClVVNaNa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-1Cl-脱离开原来的位置，形成的空位，有效电荷为+1Ca·KCa2+取代K+而进入K+的位置，有效电荷为+1CaiCaCaCa取代Ca而进入占据Ca的位置Ca2+进入间隙位置，有效电荷为+215Chapter2StructureofMaterials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：Cl'KKKCl22ClVCaCaCl'iClKKCl2ClClCaCaClCl'KiKCl22Cl2VCaCaCl16试求下图中所示方向的密勒指数A：E：B：F：C：G：D：0,1,11,0,11,1,0[110]0,1,01,0,11,1,1[111]11111,0,,1,0,1,[121]2222110,1,1,0,01,1,[221]22110,0,0,0,1,0,1[102]222110,1,1,0,1,1,[331]3331211,,00,,11,,1[616]236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x＝1，y＝∞，z＝∞故为（1,0,0）B面：x＝1，y＝-1，z＝1/2故为（1,1,1/2），即（1,1,2）－－－C面：x＝1，y＝1，z＝-3/4故为（1,1,-3/4），即（1,1,-4/3）即（3,3,4）18D面：x＝1，y＝1/3，z＝∞故为（1,1/3,∞），即为（1,3,0）E面：x＝0，y＝0，z＝∞,故须平移，朝x方向平移一晶格参数，则x＝1，y＝-1，z＝∞故为（1,-1,∞），即为（1,1,0）－F面：x＝0，y＝0，z＝1/2,故须平移，朝x方向平移一晶格参数，则x＝1，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？2.1.3.5Electricalproperty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5m，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。00()/lll(Hooke'sLaw)E0/FA00()/lll=5.002m22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，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:SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O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。2627Cs熔体的标准吉布斯自由能（单位为J）与温度T（单位为K）的关系为Gm＝2100-6.95T，求熔点到熔点时Gm＝0T＝21006.95＝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22C(s)+O(g)=2CO(g)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22C(s)+O(g)=CO(g)氧化过程气体数目不变，则S0=0,(-S0)=0，斜率为零。000GHTSG0与温度T关系式的斜率为-S022C(s)+O(g)=2CO(g)氧化过程气体数目增加，则S00,(-S0)0，斜率为负。30吉布斯相律通常为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α和液体L200℃时，此合金只含有晶体α100℃时，此合金含有晶体α和β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40％B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成分含60％B，合金成分为？（c）成分为70％B的合金最后凝固的液体成分是？（d）合金成分为50％B，凝固到某温度时液相含有40％B，固体含有80％B，此时液体和固体各占多少分数？（a）80％B（b）20％B（c）25％B（d）WL/Wα＝(Cα-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γ-Fe中形成的间隙固溶体碳溶解在α-Fe中形成的过饱和固溶体能在700～1200℃高温下仍能长时间保持所需力学性能，具抗氧化、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。22H2H)MHMH2xxQ放热（吸入）吸热（放出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+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