材料化学课后习题答案

材料化学课后习题答案P42：四(1)(2)(3)P69：二、三(1)(2)P90:5P133:二、三(1)(2)P199:一、二P222:二、三(1)P236:一、二专业：应用化学14-1学号：姓名：丁大林第二章化学基础知识一．填空题1.热力学第三定律的具体表述为纯物质完美晶体在0K时的熵值为零，数学表达式为S*(完美晶体，0K)=0JK-1。2.麦克斯韦关系式为pSTVpS、SVTpVS、TVSpVT、pTSVpT。3.偏摩尔吉布斯函数又称化学势，定义为,,CBBBTpnGGn。4.理想稀溶液存在依数性质，即溶剂的蒸气压下降、凝固点降低、沸点升高、渗透压的量值均与溶液中溶质的数量有关，而与溶质的种类无关。5.人们将存在于两相间厚度为几个分子大小的薄层称为界面层，简称界面，有液-气、固-气、固-液、液-液、固-固界面，通常把固-气界面、液-气界面称为表面。6.表面张力一般随温度和压力的增加而降低，且σ金属键σ离子键σ极性共价键σ非极性共价键。7.按照氧化态、还原态物质的状态不同，一般将电极分成第一类电极（金属电极、气体电极）、第二类电极（金属-难溶盐电极）、氧化还原电极三类。8.相律是描述相平衡系统中自由度、组分数、相数之间关系的法则。其有多种形式，其中最基本的是吉布斯相律，其通式为f=c-p+2。二．名词解释1.拉乌尔定律：气液平衡时稀溶液中溶剂A在气相中的蒸气压pA等于同一温度下该纯溶剂的饱和蒸气压pA*与溶液中溶剂的摩尔分数xA的乘积，该定律称为拉乌尔定律。2.亨利定律：在一定温度下，稀溶液中易挥发溶质B在平衡气相中的分压pB与其在平衡液相中的摩尔分数xB成正比，该定律称为亨利定律。3.基元反应：化学反应并非都是由反应物直接生成生成物，而是分若干真实步骤进行的，这些步骤称为基元反应。4.质量作用定律：基元反应速率与反应中各反应物浓度的幂乘积成正比，这一规律称为基元反应的质量作用定律。5.稳态近似处理：假定中间物浓度不随时间而改变的处理方法。6.极化：当电化学系统中有电流通过时，两个电极上的实际电极电势将偏离其平衡电势e，这种现象称为电极的极化。7.相图：又称平衡状态图，用几何（图解）的方式来描述处于平衡状态时，物质的成分、相和外界条件相互关系的示意图。三．简答题1.简述什么是亚稳状态，其形成原因及在生产中应如何处理。答：1）是一种热力学不稳定状态，但在一定条件下能长期存在，称为亚稳状态。2）形成原因：新相难于形成。3）生产中遇到亚稳态有时需要保护，有时需要破坏，如非晶体材料制备就是将材料高温熔融后迅速冷却，使晶格排列长程无序，从而形成非晶态亚稳结构，使材料的耐腐蚀性能力和力学性能得以提高。金属退火处理是为了消除淬火等处理所产生的一些不平衡相，使材料的内部组织重新达到平衡状态。2.简述物理吸附与化学吸附的区别。项目物理吸附化学吸附吸附力分子间力化学键力吸附分子层多分子层或单分子层单分子层吸附温度低高吸附热小大吸附速率快慢吸附选择性无或很差有3.简述热分析法绘制相图的步骤。答：先将样品加热成液态，然后另其缓慢而均匀地冷却，记录冷却过程中系统在不同时刻的温度数据，以温度为纵坐标，时间为横坐标，绘制温度-时间曲线，即冷却曲线（或称步冷曲线）。由若干条组成不同的冷却曲线可绘制出相图。四．计算题1.计算压力为100kPa，298K及1400K时如下反应CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)的ΔrGmΘ，判断在此两温度下反应的自发性，估算该反应可以自发进行的最低温度。解：2100298lnln8.314298ln0100COrmpGKRTKRTp2.已知反应12H2(g)+12Cl2(g)=HCl(g)，ΔrHmΘ=·mol-1，在298K时，KΘ=×1016，试计算500K时该反应的KΘ和ΔrGmΘ。解：由范特霍夫方程212111lnrmHKKRTT即321692.21011ln4.86108.314500298K，得2321.64410K3.在301K时，鲜牛奶大约在4h后变酸；但在278K时，鲜牛奶要在48h后才变酸。假定反应速率与牛奶变酸时间成反比，求牛奶变酸反应的活化能。解：由反应速率与牛奶变酸时间成反比，可知1/2ln2Atk，反应为一级反应。速率方程为AAAdckcdt由阿仑尼乌斯方程211211lnaEkkRTT即0.01411ln0.1738.314301278aE，得75.163/aEkJmol第三章材料的制备一．填空题1.熔体生长法主要有提拉法、坩埚下降法、区熔法、焰熔法等。2.物理气相沉积法是利用高温热源将原料加热，使之汽化或形成等离子体，在基体上冷却凝聚成各种形态的材料（如晶须、薄膜、晶粒等）的方法。其中以阴极溅射法、真空蒸镀法较为常用。所采用的等离子种类有辉光放电等离子体、射频等离子体、电弧等离子体。4.液相沉淀法是指在原料溶液中添加适当的沉淀剂，从而形成沉淀物的方法。该法分为直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法。5.固相反应按反应物状态不同分为纯固相反应、气固相反应、液固相反应及气液固相反应，按反应机理不同分为扩散控制过程、化学反应速度控制过程、晶核成核速率控制过程和升华控制过程等，按反应性质不同分为氧化反应、还原反应、加成反应、置换反应和分解反应。6.合成新材料的一个巧妙方法是以现有的晶体材料为基础，把一些新原子导入其空位或有选择性地移除某些原子，前者称为插层法，后者称为反插层法。引入或抽取原子后其结构一般保持不变。二．名词解释1.水热法：指在高压釜中，通过对反应体系加热、加压，产生相对高温、高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解而达到过饱和、进而析出晶体的方法。2.高温溶液生长法：又称熔盐法，是采用液态金属或熔融无机化合物为溶剂，在高温下把晶体原料溶解，形成均匀的饱和溶液，通过缓慢降温或其他方法析出晶体的技术。3.离子镀：指蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子形式沉积在固体表面的方法，是真空蒸镀与阴极溅射技术的结合。4.化学气相输运：是指在一定条件下把材料转变成挥发性的中间体，再改变条件使原来的材料重新形成的过程。5.溶胶—凝胶法：是通过凝胶前驱体的水解缩聚制备金属氧化物材料的湿化学方法。6.自蔓延高温合成法：是利用反应物间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。三．简答题1.何为化学气相沉积法简述其应用及分类。答：1）化学气相沉积法（CVD）是指通过气相化学反应生成固态产物并沉积在固体表面的方法。2）CVD法可用于制造覆膜、粉末、纤维等材料，它是半导体工业中应用最为广泛的沉积多种材料的技术，包括制造大范围的绝缘材料、大多数金属材料和合金材料。2.简述溶胶—凝胶法的原理及优、缺点。答：1）溶胶—凝胶法的原理：溶胶—凝胶法一般以含高化学活性结构的化合物（无机盐或金属醇盐）为前驱体（起始原料），其主要反应步骤是先将前驱体溶于溶剂（水或有机溶剂）中，形成均匀的溶液，并进行水解、缩合，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构，网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过后处理（如干燥、烧结固化）可制备出所需的材料。2）溶胶—凝胶法的优缺点：优点：a.由于溶胶—凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中形成低黏度的溶液，因此可在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合；b.经过溶液反应步骤，很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂；c.一般认为溶胶—凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散在微米范围内，因此化学反应较容易进行且所需温度较低；d.选择合适的条件可以制备各种新型材料。缺点：a.所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害；b.通常整个溶胶—凝胶过程所需时间较长，常需要几天或几周；c.凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。3.简述矿化剂的主要作用。答：1）改变反应机制降低反应活化能；2）影响晶核的生成速率；3）影响结晶速率及晶格结构；4）降低系统的共熔点，改善液相性质等。4.简述自蔓延高温合成的技术类型。答：根据燃烧合成所采用的设备以及最终产物的结构等，可以将SHS分为六种主要技术形式：1）SHS制粉技术；2）SHS烧结技术；3）SHS致密化技术；4）SHS熔铸；5）SHS焊接；6）SHS涂层。5.简述液相骤冷法的特点。答：液相骤冷法的基本特点是先将金属或合金加热熔融成液态，然后通过不同途径使熔体急速降温，降温速度高达105~108oC/s，以致晶体生长来不及成核就降温到原子热运动足够低的温度，从而把熔体中的无序结构“冻结”并保留下来，得到结构无序的固体材料，即非晶或玻璃态材料。样品可制成几微米到几十微米的薄片、薄带或细丝状。第四章材料的性能1.什么是腐蚀电池其形成应具备哪些基本条件答：1）能导致金属腐蚀的原电池称为腐蚀电池。2）其形成应具备三个基本条件：a.不同金属或同种金属的不同区域间有电位差存在，且电位差越大，腐蚀越剧烈。较活泼金属的电位较低，成为阳极而遭受腐蚀；较不活泼金属电位较高，作为阴极起传递电子的作用，不受腐蚀。b.两极材料共处于相连通的电解质溶液中。潮湿的空气因溶解了SO2等酸性气体，而构成了电解质溶液。c.具有不同电位的金属之间必须有导线连接或直接接触。2.材料的强度指标有哪些这些指标各代表什么含义答：材料的强度指标有e、0.2s、b和k。在弹性形变阶段，弹性变形的最大值所对应的应力称为弹性极限，用e表示。材料的屈服强度（s），表示材料开始发生明显塑性形变的抗力。对于没有明显屈服点的材料，规定以产生%残余变形的应力值0.2为其屈服强度。b值称为材料的抗拉强度，或极限强度，表示材料在载荷作用下发生断裂前的最大应力。k值称为材料的断裂应力，表示材料对塑性变形的极限抗力。3.何为材料的塑性塑性用何种指标来评定答：材料的塑性与材料断裂时的拉伸程度有关，可以用伸长率（）和断面收缩率表示（）。将5%的材料称为塑性材料；5%的材料称为脆性材料。4.比较布氏、洛氏、维氏硬度的测量原理及应用范围。答：1）布氏硬度：在直径为D（一般为10nm）的硬钢球上施加负荷F，压入被测金属表面，保持规定时间后卸载，根据被测金属表面压痕直径Di，使用下式计算布氏硬度HB:布氏硬度压痕很大，测量值准，适用于测定未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻柔的轴承合金等，不适用于测定硬度较高的材料。2）洛氏硬度：用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为、的钢球，在一定载荷F下压入被测材料表面，由压痕的深度h求出材料的硬度。压入深度h越大，硬度越低；反之则硬度越高。HR=(K-h)/根据试验材料硬度的不同，分HRA、HRB、HRC三种不同的标度，其中HRC和HRA的K值取，HRB的K值取,。HRA是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料（如硬质合金等）；HRB是采用100kg载荷和直径淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）；HRC是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料（如淬火钢等）。洛氏硬度压痕很小，测量值有局部性，需测数点求平均值，适用于成品和薄片。3）维氏硬度：是以~的负荷，将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入器压在材料表面，保持规定时间后卸载，测量压痕对角线长度，再按下式计算硬度：HV=d2维氏硬度适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。还有小负荷维氏硬度，试验负荷为~，适用于较薄工件、工具表面或镀层硬度的测定；显微维氏硬度，试验负荷小于，适用于金属箔、极薄表面层的硬度测定。5.什么是材料的疲劳有哪些指标反映材料的