材料化學(xué) 化工大學(xué)課后習(xí)題答案

1、 第一章1、晶體一般的特點(diǎn)是什么?點(diǎn)陣和晶體的結(jié)構(gòu)有何關(guān)系？ 答：（1）晶體的一般特點(diǎn)是： a 、均勻性：指在宏觀觀察中，晶體表現(xiàn)為各部分性狀相同的物體 b 、各向異性：晶體在不同方向上具有不同的物理性質(zhì) c 、自范性：晶體物質(zhì)在適宜的外界條件下能自發(fā)的生長(zhǎng)出晶面、晶棱等幾何元素所組成凸多面體外形 d 、固定熔點(diǎn)：晶體具有固定的熔點(diǎn) e、 對(duì)稱性：晶體的理想外形、宏觀性質(zhì)以及微觀結(jié)構(gòu)都具有一定的對(duì)稱性 （2）晶體結(jié)構(gòu)中的每個(gè)結(jié)構(gòu)基元可抽象成一個(gè)點(diǎn)，將這些點(diǎn)按照周期性重復(fù)的方式排列就構(gòu)成了點(diǎn)陣。點(diǎn)陣是反映點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)周期性的科學(xué)抽象，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是點(diǎn)陣?yán)碚摰膶?shí)踐依據(jù)和具體研究對(duì)象，它們之間存在這樣一個(gè)關(guān)

2、系： 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)基元 點(diǎn)陣點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)基元 2、什么是同質(zhì)多晶？什么是類質(zhì)同晶？ 一些組成固定的化合物，由于其內(nèi)部微?？梢砸圆煌姆绞蕉逊e，因而產(chǎn)生不同種類的晶體，我們把這種同一化合組成存在兩種或兩種以上晶體結(jié)構(gòu)形式的現(xiàn)象為同質(zhì)多晶現(xiàn)象。 在兩個(gè)或多個(gè)化合物中，如果化學(xué)式相似，晶體結(jié)構(gòu)形式相同，并能互相置換的現(xiàn)象，我們稱之為類質(zhì)同晶現(xiàn)象。3、產(chǎn)生晶體缺陷的原因是什么？晶體缺陷對(duì)晶體的物理化學(xué)性質(zhì)的影響如何？ 答：晶體產(chǎn)生缺陷的原因主要有：（1）實(shí)際晶體中的微?？偸怯邢薜模唬?）存在著表面效應(yīng)；（3）存在著表面效應(yīng)；（4）粒子熱運(yùn)動(dòng)；（5）存在著雜質(zhì)。 在實(shí)際晶體中缺陷和畸變的存在使正常的

3、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)受到了一定程度的破壞或擾亂，對(duì)晶體的生長(zhǎng)，晶體的力學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能和光學(xué)性能等到都有很大的影響，在生產(chǎn)和科研中非常重要，是固體物理、固體化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的重要內(nèi)容。 第二章、 晶體的結(jié)構(gòu)特性是什么？這些特性是什么原因引起的？（1）晶體的均勻性：晶體的均勻性是焓因素決定的；非晶體的均勻性是由熵因素引起的。（2）晶體的各向異性：由于晶體在各個(gè)方向上的點(diǎn)陣向量不同，導(dǎo)致了晶體在不同方向上具有不同的物理性質(zhì)（3）晶體的自范性：在適宜的外界條件下，晶體能自發(fā)生長(zhǎng)出晶面，晶棱等幾何元素所轉(zhuǎn)成的凸多面體，晶體的這一性質(zhì)即為晶體的自范性。（4）晶體的熔點(diǎn)：晶體在受到熱作用時(shí)，溫度升高，組

4、成晶體的點(diǎn)陣上的原子或原子團(tuán)而因振動(dòng)加劇，當(dāng)此振動(dòng)的能量（平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)）達(dá)到晶格能（晶格對(duì)原子的束縛）時(shí)，晶體的結(jié)構(gòu)被破壞，晶體開(kāi)始熔化。因晶體中各原子所處的環(huán)境相同，所以熔化的溫度也相同。所以晶體有一定的熔點(diǎn)。（5）晶體的對(duì)稱性：晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)決定了晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和理想外形都具有對(duì)稱性。理想外形的對(duì)稱性屬于宏觀對(duì)稱性；內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性屬于微觀對(duì)稱性。、簡(jiǎn)述產(chǎn)生非整比化合物的原因，當(dāng)二元化合物AB中某原子被氧化，則此原子的組成系數(shù)將向什么方向變化？當(dāng)晶體中出現(xiàn)空位或填隙原子,從而使化合物的成份偏離整數(shù)比。1、某種原子過(guò)多或短缺。2、層間嵌入某些離子、原子或分子。3、晶體吸收某些小原子。元化合物A

5、B中某原子被氧化，某一原子被氧化造成另一原子短缺，則組成系數(shù)向短缺原子偏移。、按光的透射原理，試分析在一定條件下，膽甾相液晶是否能透光？當(dāng)各層分子長(zhǎng)軸的去向不相互垂直時(shí)可以透過(guò)光。、 試說(shuō)明玻璃與陶瓷的異同 玻璃是高溫下熔融，熔融體在冷卻過(guò)程中黏度逐漸增大、不析晶、室溫下保持熔體結(jié)構(gòu)的非晶固體。 陶瓷是指通過(guò)燒結(jié)包含有玻璃相和結(jié)晶相的特征的無(wú)機(jī)材料。、 某種非氧化硅系列的玻璃質(zhì)材料，在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的存放后，透明性降低的原因是什么？ 玻璃的透明性的主要原因是結(jié)構(gòu)中最高占有軌道和最低空軌道的能級(jí)差別大，不能發(fā)生對(duì)可見(jiàn)光的吸收而產(chǎn)生電子躍遷的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的存放后最高占有軌道和最低空軌道的能級(jí)差

6、減小，其次表面被氧化，表面不光滑會(huì)反射光。、 當(dāng)原子的配位數(shù)達(dá)到最大值12時(shí)，這12個(gè)配位原子所構(gòu)成的凸多面體的面數(shù)為14，則它有多少個(gè)棱？ F+V=E+2 14+12=E+2 E=247、 某大晶體在110晶面的衍射峰半高寬為0.45º，衍射角為8.7º。今制備的該晶體粉未的110晶面的半高寬為0.92º，試求110晶面的厚度。（X射線的波長(zhǎng)為154pm）。DK/（BB0）cos=0.9*154/(0.92-0.45/360 *2) cos8.7=1.709*103 第三章1、 指出A1型和A3型密堆積結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣形式與晶胞中球的數(shù)目。A1型 立方面心最密堆積 晶

7、胞中球的數(shù)目4A3型 六方最密堆積 晶胞中球的數(shù)目22、計(jì)算A2、A3型密堆積結(jié)構(gòu)中圓球的空間占有率。A2堆積的空間利用率的計(jì)算: A2堆積用圓球半徑r表示的晶胞體積為: A3堆積用圓球半徑r表示的晶胞體積為: 3、用固體能帶理論說(shuō)明什么是導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。 金屬：晶體的能帶中存在不滿帶，表現(xiàn)出導(dǎo)電性。有兩種情況（如同）：一是沒(méi)有足夠的電子填充價(jià)帶能級(jí)，形成不滿帶；另一種是價(jià)帶與空帶重疊，電子在沒(méi)有排滿價(jià)帶之前，一部分電子就開(kāi)始填充空帶部分，而形成不滿帶。半導(dǎo)體：在波矢K落在布里淵區(qū)邊緣時(shí)，會(huì)發(fā)生能級(jí)分裂，出現(xiàn)禁帶，但是半導(dǎo)體材料的禁帶寬度很小，一般小于2eV，在熱激發(fā)下部分低能級(jí)電子可以

8、躍遷到高能級(jí)上，從而表現(xiàn)出導(dǎo)電性。絕緣體：同樣也出現(xiàn)禁帶，只是他的禁帶寬度相對(duì)大一些，一般的溫度下，熱激發(fā)不能提供足夠的能量使低能級(jí)上的電子躍遷到高能級(jí)上，因此不能表現(xiàn)出導(dǎo)電性。金屬鎂如果僅僅從核外電子排布情況來(lái)看，1S、2S、2P、3S能級(jí)都被電子排滿，應(yīng)該為絕緣體或半導(dǎo)體，但是金屬鎂的3S能帶和3P能帶發(fā)生部分重疊，從而使金屬鎂表現(xiàn)出導(dǎo)電性，為導(dǎo)體。4、 單質(zhì)Mn有一種同素異型體為立方結(jié)構(gòu)，其晶胞參數(shù)為635pm，密度7.26g·cm-3,原子半徑r112pm，計(jì)算晶胞中有幾個(gè)原子，其空間占有率為多少？ 答：設(shè)單位晶胞原子數(shù)為n，則單位晶胞的質(zhì)量為m=(n/NA)×M已

9、知晶胞參數(shù)a=0.6326 nm 則晶胞的體積為Va3已知密度7.26g/cm3，Mn的原子量M54.94 根據(jù)m/V 計(jì)算的n=20 為復(fù)雜立方體結(jié)構(gòu)已知原子半徑R0.112 nm nVatom/Vcell=20×(4/3)R3/a3=0.4655、 金屬化合物物相與金屬固溶體物相比有何不同？試從結(jié)構(gòu)特征、組成特征和性能特征明。答：（1）構(gòu)成金屬固溶體的組成成分具有相同的結(jié)構(gòu)形式，組分金屬的原子半徑相近，并且其電負(fù)性不能相差太多；而金屬化合物組成成分的結(jié)構(gòu)形式和原子半徑、電負(fù)性有較大的差別。 （2）金屬固溶體的結(jié)構(gòu)仍然保持著其組分的結(jié)構(gòu)，而金屬化合物的結(jié)構(gòu)一般不同其組分在獨(dú)立存在是

10、的結(jié)構(gòu)形式，不同于金屬固溶體中各組分原子占據(jù)著相同的結(jié)構(gòu)位置，金屬化合物各組分中原子在結(jié)構(gòu)中位置占據(jù)著不同的位置。 （3）金屬固溶體的性能與其組成成分在熔點(diǎn)和硬度上都要強(qiáng)許多，而金屬化合物易于生成組成可變的金屬化合物 。 第四章 1、 如何正確理解離子半徑的概念，離子半徑是不是常數(shù)？它與哪些因素有關(guān)？ 答：若將離子近似的看作具有一定半徑的彈性球，兩個(gè)相互接觸的球形離子的半徑之和即等于核間的平衡距離，這就是一般所說(shuō)的離子半徑的意義。離子半徑本來(lái)應(yīng)該是指離子電子云的分布范圍，但是按照量子力學(xué)計(jì)算，離子的電子云密度是無(wú)窮的，因此嚴(yán)格的說(shuō)，一個(gè)離子的半徑是不定的，它和離子所處的特定條件有關(guān)。 2、對(duì)一

11、金屬原子，它的原子半徑、共價(jià)半徑、離子半徑及van de waals半徑的相對(duì)大小關(guān)系是什么？范德華半徑>金屬半徑>共價(jià)半徑>離子半徑3、 羥基苯甲酸亦稱水楊酸，以氫鍵解釋它們的鄰、間、對(duì)位異構(gòu)體中哪個(gè)熔點(diǎn)最低。 分子間生成氫鍵，熔點(diǎn)會(huì)上升；分子內(nèi)生成氫鍵，一般熔點(diǎn)會(huì)降低。水楊酸的鄰位結(jié)構(gòu)形成六元環(huán)的分子內(nèi)氫鍵，熔點(diǎn)159，而生成分子間氫鍵的間位和對(duì)位結(jié)構(gòu)熔點(diǎn)分別為201.3和213。4、 試用熱化學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算KCl晶體的晶格能。 第五章1、 一聚合物樣品的元素分析結(jié)果為n(C):n(H):n(O)=2:4:1，試分析可能是什么聚合物？單體：CH2 = CHOH 聚乙烯醇。結(jié)構(gòu)

12、式：-CH2-CHn- OH CH3CH0 CH2-CH2 O2、 聚甲基丙烯酸甲酯與聚丙烯酸甲酯哪一個(gè)較為柔順？答：聚丙烯酸甲酯的柔順性比和聚甲基丙烯酸甲酯要好。高分子在運(yùn)動(dòng)時(shí)C-C單鍵在保持鍵長(zhǎng)和鍵角不變的情況下可繞軸任意旋轉(zhuǎn)，稱之為單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。高分子鏈能夠通過(guò)內(nèi)旋轉(zhuǎn)作用改變其構(gòu)象的性能稱為高分子鏈的柔順性。高分子鏈能形成的構(gòu)象數(shù)越多，柔順性越大。由于分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)是導(dǎo)致分子鏈柔順性的根本原因，而高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)又受其分子結(jié)構(gòu)的制約，因而分子鏈的柔順性與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其中主鏈結(jié)構(gòu)、側(cè)基和鏈的長(zhǎng)度都起作用。在C-C鍵上帶有其他原子或基團(tuán)時(shí)，由于這些原子和基團(tuán)之間存在著一定的相互作用，會(huì)阻

13、礙單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所以柔順性降低。3、 說(shuō)出分子間力主要是：A：色散力；B：偶極力；C：氫鍵的聚合物名稱。答：（1）主要是色散力的聚合物：聚乙烯等；（2）主要是偶極力的聚合物：聚氯乙烯等；（3）主要是氫鍵的聚合物：聚乙烯醇、纖維素等。4、 非晶態(tài)聚合物在不同溫度下的力學(xué)狀態(tài)有何特點(diǎn)？答：非晶態(tài)聚合物在不同溫度下，可以呈現(xiàn)三種不同的力學(xué)狀態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，這三種力學(xué)狀態(tài)是聚合物分子微觀運(yùn)動(dòng)特征的宏觀表現(xiàn)。玻璃態(tài)聚合物在升高到一定溫度時(shí)可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，這一轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，或簡(jiǎn)稱玻璃化溫度，當(dāng)升溫到粘流溫度時(shí)，由高彈態(tài)轉(zhuǎn)為粘流態(tài)。5、 簡(jiǎn)要說(shuō)明逐步聚合反應(yīng)的特征。答：逐步聚合

14、反應(yīng)是由單體及不同聚合度的中間產(chǎn)物之間通過(guò)官能團(tuán)之間的逐步反應(yīng)來(lái)聚合的，具有以下幾個(gè)特征：（1）逐步聚合反應(yīng)是由若干個(gè)聚合反應(yīng)構(gòu)成的，是逐步進(jìn)行的，反應(yīng)可以停留在某一階段上，可得到中間產(chǎn)物；（2）縮聚產(chǎn)物鏈節(jié)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與單體的不完全相同；（3）在縮聚過(guò)程中總有小分子副產(chǎn)物析出；（4）相對(duì)分子質(zhì)量隨轉(zhuǎn)化率增高而逐步增大，只有在高轉(zhuǎn)化率才能生成高相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物，這是逐步聚合反應(yīng)區(qū)別小分子縮合反應(yīng)的一個(gè)重要特征。6、導(dǎo)電高分子一般具有何種結(jié)構(gòu)？它有什么特點(diǎn)？答：導(dǎo)電高分子材料的共同特征是內(nèi)都必須具備長(zhǎng)程共軛的主鏈，即具有交替的單鍵、雙鍵共軛結(jié)構(gòu)。 共軛p鍵成鍵和反鍵能帶之間的能隙差較小（1.5

15、3eV），接近于普通無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的能隙，所以共軛聚合物大多具有半導(dǎo)體的特性。 共軛結(jié)構(gòu)的聚合物容易被氧化或還原而實(shí)現(xiàn)所謂“摻雜”，使其電導(dǎo)率增加若干個(gè)數(shù)量級(jí)，接近于金屬的電導(dǎo)率。7、 醫(yī)用高分子材料的要求是什么？生物醫(yī)用高分子材料有何特殊性？答：（1）耐生物老化。 （2）物理和力學(xué)性能好。（3）便于消毒和滅菌，易于加工，材料價(jià)格適當(dāng)。4）生物相容性好。 (1)血液相容性 (2)組織相應(yīng)性（3）醫(yī)用高分子材料的生物降解吸收性。 第六章1.納米的基本含義是什么？簡(jiǎn)述納米材料所表面出的新特性。納米(nanometer)是一個(gè)長(zhǎng)度單位，簡(jiǎn)寫為nm。1、 小尺寸效應(yīng) 2、表面效應(yīng) 3、宏觀量子隧道效應(yīng) 2

16、、 量子尺寸效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)從概念上有何不同？舉說(shuō)明例兩種效應(yīng)所導(dǎo)致的結(jié)果。小尺寸效應(yīng)(Small size effect)，當(dāng)顆粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米粒子的顆粒表面層附近的原子密度減少，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)-是指當(dāng)粒子尺寸下降到某一數(shù)值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)或者能隙變寬的現(xiàn)象。當(dāng)能級(jí)的變化程度大于熱能、光能、電磁能的變化時(shí)，導(dǎo)致了納米微粒磁、光、聲、熱、電及超導(dǎo)特性與常規(guī)材料有顯著的不同。3. 說(shuō)明

17、溶膠-凝膠法的原理及基本步驟。 易于水解的金屬化合物(無(wú)機(jī)鹽或金屬醇鹽)在某種溶劑中與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過(guò)消解與縮聚過(guò)程逐漸凝膠化，再經(jīng)干燥燒結(jié)等后處理得到所需材料，基本反應(yīng)有水解反應(yīng)和聚合反應(yīng)。4.說(shuō)明掃描隧道顯微鏡STM和原子力顯微鏡AFM的基本原理。STM的基本原理是量子隧道效應(yīng)。在經(jīng)典力學(xué)中，當(dāng)勢(shì)壘的高度比粒子的能量大時(shí)，粒子是無(wú)法越過(guò)勢(shì)壘的。然而，根據(jù)量子力學(xué)的原理，此時(shí)粒子穿過(guò)勢(shì)壘出現(xiàn)在勢(shì)壘另一側(cè)的概率并不為零。AFM是基于原子間力的理論。它是利用一個(gè)對(duì)力敏感的探針探測(cè)針尖與樣品之間的相互作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)成像的。5. 碳納米管的制備方法主要有哪幾種？ 1、火花法 2、熱氣法 3、激光轟擊法

18、 第七章1.什么是紅外輻射材料？什么是透紅外材料？它們各自有什么特點(diǎn)？ 工程上，紅外輻射材料只指能吸收熱物體輻射而發(fā)射大量紅外線的材料。紅外輻射材料的輻射特性決定于材料的溫度和發(fā)射率。而發(fā)射率是紅外輻射材料的重要特征值，它是相對(duì)于熱平衡輻射體的概念。熱平衡輻射體是指當(dāng)一個(gè)物體向周圍發(fā)射輻射時(shí)，同時(shí)也吸收周圍物體所發(fā)射的輻射能，當(dāng)物體與外界進(jìn)行能量交換慢到使物體在任何短時(shí)間內(nèi)仍保持確定溫度時(shí)，該過(guò)程可以看作是平衡的。 透紅外材料指的是對(duì)紅外線透過(guò)率高的材料。對(duì)透紅外材料的要求，首先是紅外光譜透過(guò)率要高，透過(guò)的短波限要低，透過(guò)的頻帶要寬。透過(guò)率定義與可見(jiàn)光透過(guò)率相同，一般透過(guò)率要求在50以上，同時(shí)

19、要求透過(guò)率的頻率范圍要寬，透紅外材料的透射短波限，對(duì)于純晶體，決定于其電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的吸收，即其禁帶寬度。透射長(zhǎng)波限決定于其聲子吸收，和其晶格結(jié)構(gòu)及平均原子量有關(guān)。2.什么是發(fā)光材料？發(fā)光機(jī)理是什么？答：發(fā)光是一種物體把吸收的能量，不經(jīng)過(guò)熱的階段，直接轉(zhuǎn)換為特征輻射的現(xiàn)象。發(fā)光現(xiàn)象廣泛存在于各種材料中，因此，發(fā)光材料品種很多，按激發(fā)方式可分為：光致發(fā)光材料、電致發(fā)光材料、陰極射線致發(fā)光材料、熱致發(fā)光材料、等離子發(fā)光材料。 發(fā)光材料的發(fā)光中心受激后，激發(fā)和發(fā)射過(guò)程發(fā)生在彼此獨(dú)立的、個(gè)別的發(fā)光中心內(nèi)部的發(fā)光就叫做分立中心發(fā)光。它是單分子過(guò)程，有自發(fā)發(fā)光和受迫發(fā)光兩種情況。 3.半導(dǎo)體有幾種分類方法，它們大致的分類引起結(jié)果是什么？答：按成分可將半導(dǎo)體分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體又可分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體?；衔锇雽?dǎo)體又可分為合金、化合物、陶瓷和有機(jī)高分子四種半導(dǎo)體。在此，我們順便談一下什么是本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體中價(jià)帶上的電子借助于熱、電、磁等方式激發(fā)到導(dǎo)帶叫做本征激發(fā)。本征半導(dǎo)體就是指滿足本征激發(fā)的半導(dǎo)體。利用雜質(zhì)元素?fù)饺爰冊(cè)刂校央娮訌碾s質(zhì)能級(jí)激發(fā)到導(dǎo)帶上或者把電子從價(jià)帶激發(fā)到雜質(zhì)能級(jí)上，從而在價(jià)