材料化學(xué)課本作業(yè)

1、材料化學(xué)作業(yè) 專業(yè)：無機(jī)化學(xué) 學(xué)號：107551600515 姓名：陳景景第二章 化學(xué)基礎(chǔ)知識一填空題1.熱力學(xué)第三定律的具體表述為 純物質(zhì)完美晶體在0 K時的熵值為零 ，數(shù)學(xué)表達(dá)式為S*(完美晶體，0 K)=0 JK-1 。2.麥克斯韋關(guān)系式為 、 、 、 。3.偏摩爾吉布斯函數(shù)又稱化學(xué)勢，定義為 。4.理想稀溶液存在依數(shù)性質(zhì)，即溶劑的蒸氣壓下降 、凝固點降低 、沸點升高 、滲透壓的量值均與溶液中溶質(zhì)的數(shù)量有關(guān)，而與溶質(zhì)的種類無關(guān)。5.人們將存在于兩相間厚度為幾個分子大小的薄層稱為界面層，簡稱界面，有液-氣、固-氣、固-液、液-液、固-固界面，通常把固-氣界面、 液-氣界面稱為表面。6.表面

2、張力一般隨溫度和壓力的增加而降低，且金屬鍵 離子鍵 極性共價鍵 非極性共價鍵。7.按照氧化態(tài)、還原態(tài)物質(zhì)的狀態(tài)不同，一般將電極分成第一類電極（金屬電極、氣體電極） 、第二類電極（金屬-難溶鹽電極） 、氧化還原電極 三類。8.相律是描述相平衡系統(tǒng)中 自由度 、組分?jǐn)?shù) 、相數(shù) 之間關(guān)系的法則。其有多種形式，其中最基本的是吉布斯相律，其通式為 f=c-p+2 。二名詞解釋1.拉烏爾定律：氣液平衡時稀溶液中溶劑A在氣相中的蒸氣壓pA等于同一溫度下該純?nèi)軇┑娘柡驼魵鈮簆A*與溶液中溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)xA的乘積，該定律稱為拉烏爾定律。2.亨利定律：在一定溫度下，稀溶液中易揮發(fā)溶質(zhì)B在平衡氣相中的分壓pB與其在

3、平衡液相中的摩爾分?jǐn)?shù)xB成正比，該定律稱為亨利定律。3.基元反應(yīng)：化學(xué)反應(yīng)并非都是由反應(yīng)物直接生成生成物，而是分若干真實步驟進(jìn)行的，這些步驟稱為基元反應(yīng)。4.質(zhì)量作用定律：基元反應(yīng)速率與反應(yīng)中各反應(yīng)物濃度的冪乘積成正比，這一規(guī)律稱為基元反應(yīng)的質(zhì)量作用定律。5.穩(wěn)態(tài)近似處理：假定中間物濃度不隨時間而改變的處理方法。6.極化：當(dāng)電化學(xué)系統(tǒng)中有電流通過時，兩個電極上的實際電極電勢將偏離其平衡電勢，這種現(xiàn)象稱為電極的極化。7.相圖：又稱平衡狀態(tài)圖，用幾何（圖解）的方式來描述處于平衡狀態(tài)時，物質(zhì)的成分、相和外界條件相互關(guān)系的示意圖。三簡答題1.簡述什么是亞穩(wěn)狀態(tài)，其形成原因及在生產(chǎn)中應(yīng)如何處理。答：1）

4、是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，但在一定條件下能長期存在，稱為亞穩(wěn)狀態(tài)。2） 形成原因：新相難于形成。3） 生產(chǎn)中遇到亞穩(wěn)態(tài)有時需要保護(hù)，有時需要破壞，如非晶體材料制備就是將材料高溫熔融后迅速冷卻，使晶格排列長程無序，從而形成非晶態(tài)亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，使材料的耐腐蝕性能力和力學(xué)性能得以提高。金屬退火處理是為了消除淬火等處理所產(chǎn)生的一些不平衡相，使材料的內(nèi)部組織重新達(dá)到平衡狀態(tài)。2. 簡述物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別。項目物理吸附化學(xué)吸附吸附力分子間力化學(xué)鍵力吸附分子層多分子層或單分子層單分子層吸附溫度低高吸附熱小大吸附速率快慢吸附選擇性無或很差有3.簡述熱分析法繪制相圖的步驟。答：先將樣品加熱成液態(tài)，然后另其緩慢而

5、均勻地冷卻，記錄冷卻過程中系統(tǒng)在不同時刻的溫度數(shù)據(jù)，以溫度為縱坐標(biāo)，時間為橫坐標(biāo)，繪制溫度-時間曲線，即冷卻曲線（或稱步冷曲線）。由若干條組成不同的冷卻曲線可繪制出相圖。四計算題1.計算壓力為100kPa，298K及1400K時如下反應(yīng)CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)的rGm，判斷在此兩溫度下反應(yīng)的自發(fā)性，估算該反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行的最低溫度。解：2. 已知反應(yīng)H2(g)+Cl2(g)=HCl(g)，rHm=-92.2kJmol-1，在298K時，K=4.861016，試計算500K時該反應(yīng)的K和rGm。解：由范特霍夫方程即，得3. 在301K時，鮮牛奶大約在4h后變酸；但在278K時

6、，鮮牛奶要在48h后才變酸。假定反應(yīng)速率與牛奶變酸時間成反比，求牛奶變酸反應(yīng)的活化能。解：由反應(yīng)速率與牛奶變酸時間成反比，可知，反應(yīng)為一級反應(yīng)。速率方程為由阿侖尼烏斯方程即，得第三章 材料的制備一填空題1.熔體生長法主要有提拉法、坩堝下降法、區(qū)熔法、焰熔法等。2.物理氣相沉積法是利用高溫?zé)嵩磳⒃霞訜?，使之汽化或形成等離子體，在基體上冷卻凝聚成各種形態(tài)的材料（如晶須、薄膜、晶粒等）的方法。其中以陰極濺射法、真空蒸鍍法較為常用。3.PECVD所采用的等離子種類有輝光放電等離子體、射頻等離子體、電弧等離子體。4.液相沉淀法是指在原料溶液中添加適當(dāng)?shù)某恋韯?，從而形成沉淀物的方法。該法分為直接沉淀法?/p>

7、共沉淀法、均勻沉淀法。5.固相反應(yīng)按反應(yīng)物狀態(tài)不同分為純固相反應(yīng)、氣固相反應(yīng)、液固相反應(yīng)及氣液固相反應(yīng)，按反應(yīng)機(jī)理不同分為擴(kuò)散控制過程、化學(xué)反應(yīng)速度控制過程、晶核成核速率控制過程和升華控制過程等，按反應(yīng)性質(zhì)不同分為氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、加成反應(yīng)、置換反應(yīng)和分解反應(yīng)。6.合成新材料的一個巧妙方法是以現(xiàn)有的晶體材料為基礎(chǔ)，把一些新原子導(dǎo)入其空位或有選擇性地移除某些原子，前者稱為插層法，后者稱為反插層法。引入或抽取原子后其結(jié)構(gòu)一般保持不變。二名詞解釋1.水熱法：指在高壓釜中，通過對反應(yīng)體系加熱、加壓，產(chǎn)生相對高溫、高壓的反應(yīng)環(huán)境，使通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解而達(dá)到過飽和、進(jìn)而析出晶體的方法。2.高溫溶液

8、生長法：又稱熔鹽法，是采用液態(tài)金屬或熔融無機(jī)化合物為溶劑，在高溫下把晶體原料溶解，形成均勻的飽和溶液，通過緩慢降溫或其他方法析出晶體的技術(shù)。3.離子鍍：指蒸發(fā)物質(zhì)的分子被電子碰撞電離后以離子形式沉積在固體表面的方法，是真空蒸鍍與陰極濺射技術(shù)的結(jié)合。4.化學(xué)氣相輸運：是指在一定條件下把材料轉(zhuǎn)變成揮發(fā)性的中間體，再改變條件使原來的材料重新形成的過程。5.溶膠凝膠法：是通過凝膠前驅(qū)體的水解縮聚制備金屬氧化物材料的濕化學(xué)方法。6.自蔓延高溫合成法：是利用反應(yīng)物間化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用來合成材料的一種技術(shù)。三簡答題1.何為化學(xué)氣相沉積法？簡述其應(yīng)用及分類。答：1）化學(xué)氣相沉積法（CVD）是指通過

9、氣相化學(xué)反應(yīng)生成固態(tài)產(chǎn)物并沉積在固體表面的方法。 2）CVD法可用于制造覆膜、粉末、纖維等材料，它是半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的沉積多種材料的技術(shù)，包括制造大范圍的絕緣材料、大多數(shù)金屬材料和合金材料。2. 簡述溶膠凝膠法的原理及優(yōu)、缺點。答：1）溶膠凝膠法的原理：溶膠凝膠法一般以含高化學(xué)活性結(jié)構(gòu)的化合物（無機(jī)鹽或金屬醇鹽）為前驅(qū)體（起始原料），其主要反應(yīng)步驟是先將前驅(qū)體溶于溶劑（水或有機(jī)溶劑）中，形成均勻的溶液，并進(jìn)行水解、縮合，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠。凝膠經(jīng)過后處理（如干燥、燒結(jié)固化）可制備出所需的材料

10、。2） 溶膠凝膠法的優(yōu)缺點：優(yōu)點：a.由于溶膠凝膠法中所用的原料首先被分散到溶劑中形成低黏度的溶液，因此可在很短的時間內(nèi)獲得分子水平的均勻性，在形成凝膠時，反應(yīng)物之間很可能是在分子水平上被均勻地混合；b.經(jīng)過溶液反應(yīng)步驟，很容易均勻定量地?fù)饺胍恍┪⒘吭?，實現(xiàn)分子水平上的均勻摻雜；c.一般認(rèn)為溶膠凝膠體系中組分的擴(kuò)散在納米范圍內(nèi)，而固相反應(yīng)時組分?jǐn)U散在微米范圍內(nèi)，因此化學(xué)反應(yīng)較容易進(jìn)行且所需溫度較低；d.選擇合適的條件可以制備各種新型材料。缺點：a.所使用的原料價格比較昂貴，有些原料為有機(jī)物，對健康有害；b.通常整個溶膠凝膠過程所需時間較長，常需要幾天或幾周；c.凝膠中存在大量微孔，在干燥過程

11、中會逸出許多氣體及有機(jī)物，并產(chǎn)生收縮。3.簡述礦化劑的主要作用。答：1）改變反應(yīng)機(jī)制降低反應(yīng)活化能； 2）影響晶核的生成速率； 3）影響結(jié)晶速率及晶格結(jié)構(gòu)； 4）降低系統(tǒng)的共熔點，改善液相性質(zhì)等。4. 簡述自蔓延高溫合成的技術(shù)類型。答：根據(jù)燃燒合成所采用的設(shè)備以及最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)等，可以將SHS分為六種主要技術(shù)形式：1）SHS制粉技術(shù)；2）SHS燒結(jié)技術(shù)；3）SHS致密化技術(shù)；4）SHS熔鑄；5）SHS焊接；6）SHS涂層。5.簡述液相驟冷法的特點。答：液相驟冷法的基本特點是先將金屬或合金加熱熔融成液態(tài)，然后通過不同途徑使熔體急速降溫，降溫速度高達(dá)105108 oC/s，以致晶體生長來不及成核就

12、降溫到原子熱運動足夠低的溫度，從而把熔體中的無序結(jié)構(gòu)“凍結(jié)”并保留下來，得到結(jié)構(gòu)無序的固體材料，即非晶或玻璃態(tài)材料。樣品可制成幾微米到幾十微米的薄片、薄帶或細(xì)絲狀。第四章 材料的性能1.什么是腐蝕電池？其形成應(yīng)具備哪些基本條件？答：1）能導(dǎo)致金屬腐蝕的原電池稱為腐蝕電池。2） 其形成應(yīng)具備三個基本條件：a. 不同金屬或同種金屬的不同區(qū)域間有電位差存在，且電位差越大，腐蝕越劇烈。較活潑金屬的電位較低，成為陽極而遭受腐蝕；較不活潑金屬電位較高，作為陰極起傳遞電子的作用，不受腐蝕。b. 兩極材料共處于相連通的電解質(zhì)溶液中。潮濕的空氣因溶解了SO2等酸性氣體，而構(gòu)成了電解質(zhì)溶液。c. 具有不同電位的金

13、屬之間必須有導(dǎo)線連接或直接接觸。2. 材料的強度指標(biāo)有哪些？這些指標(biāo)各代表什么含義？答：材料的強度指標(biāo)有、和。在彈性形變階段，彈性變形的最大值所對應(yīng)的應(yīng)力稱為彈性極限，用表示。材料的屈服強度（），表示材料開始發(fā)生明顯塑性形變的抗力。對于沒有明顯屈服點的材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力值為其屈服強度。值稱為材料的抗拉強度，或極限強度，表示材料在載荷作用下發(fā)生斷裂前的最大應(yīng)力。值稱為材料的斷裂應(yīng)力，表示材料對塑性變形的極限抗力。3. 何為材料的塑性？塑性用何種指標(biāo)來評定？答：材料的塑性與材料斷裂時的拉伸程度有關(guān)，可以用伸長率（）和斷面收縮率表示（）。將5%的材料稱為塑性材料；Zn，CuFe。

14、4.根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中占據(jù)的位置不同，可將固溶體分為置換固溶體、間隙固溶體、缺位固溶體 三種。5.Q235AF表示屈服強度值為235MPa的A級沸騰鋼。6.根據(jù)鋁合金的成分及生產(chǎn)工藝特點，可將鋁合金分為變形鋁合金、鑄造鋁合金 兩類。7.冶金的分類方法很多，根據(jù)過程性質(zhì)可分為物理冶金、化學(xué)冶金；根據(jù)冶金工藝過程不同分為火法冶金、濕法冶金、電冶金。二名詞解釋1.光電效應(yīng)：金屬在短波輻射照射下能放出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。2.合金：指由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬元素與非金屬元素）組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。3.固溶體：合金在固態(tài)下由不同組元互相溶解而形成的相稱為固溶體。4.間隙化合物：是由

15、過渡元素與硼、碳、氮、氫等原子直徑較小的非金屬元素形成的化合物。5.奧氏體：碳在-Fe（晶胞參數(shù)a=356pm）中的間隙固溶體。6.馬氏體：- Fe中碳含量可達(dá)到1.6%的過飽和固溶體。三簡答題1.為何晶粒金屬的強度和塑性都比粗晶粒高？答：金屬在彈性形變時，晶格形狀發(fā)生暫時的變化，原子間距改變，除去外力后又恢復(fù)原狀。塑性變形時，晶體內(nèi)原子沿晶面滑動，除去外力后不復(fù)原。鋼材是由許多晶粒組成的，晶粒取向和晶粒間的晶界對變形影響很大。滑動一般不易穿過晶界，而在晶界上產(chǎn)生應(yīng)力集中，這種集中的應(yīng)力再加上外力，可使相鄰并未產(chǎn)生滑動的晶粒開始滑動。這樣滑動由少數(shù)晶粒傳布到整體，不同取向的晶粒相互制約、相互協(xié)

16、調(diào)，以適應(yīng)外力的影響。所以晶粒金屬的強度和塑性都比粗晶粒高。2. 為何不能在室溫下連續(xù)地將一塊鋼錠經(jīng)多次軋制而制成薄鋼板，而必須經(jīng)過若干次軋制和加溫再結(jié)晶的重復(fù)工序，才能制出合格的鋼板？答：經(jīng)過塑性變形后的金屬，由于晶面之間產(chǎn)生滑動、晶粒破碎或伸長等原因，致使金屬產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而發(fā)生硬化以阻止再產(chǎn)生滑動，這使金屬的強度、硬度增加，塑性、韌性降低。硬化的金屬結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，有自發(fā)地向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化的傾向。加熱提高溫度，原子運動加速可促進(jìn)這種轉(zhuǎn)化以消除內(nèi)應(yīng)力。加熱時應(yīng)力較集中的部位，能量最高，優(yōu)先形成新的晶核，進(jìn)行再結(jié)晶。經(jīng)再結(jié)晶的金屬硬度和強度降低，塑性和韌性提高，使金屬恢復(fù)到變形前的性能。

17、鋼錠經(jīng)過鍛煉軋制，將粗晶粒的結(jié)構(gòu)破碎成小晶粒，同時使原來晶界間的微隙彌合，成為致密的結(jié)構(gòu)，從而大大提高了其機(jī)械性能。3. 簡述儲氫合金的儲氫原理。答：在一定溫度和壓力下，許多金屬、合金或金屬間化合物與氫能生成金屬氫化物。反應(yīng)過程一般是在吸收少量的氫時，金屬、合金或金屬間化合物的結(jié)構(gòu)不變，當(dāng)氫含量提高到一定量時氫與金屬、合金或金屬間化合物化合生成金屬氫化物，如果氫壓高，可以形成過飽和氫化物。金屬、合金或金屬間化合物與氫的反應(yīng)是可逆過程，改變溫度和壓力條件可以使金屬氫化物釋放出氫。儲氫材料表面由于氧化膜及吸附其他氣體分子，初次使用一般幾乎無吸氫能力，或者需經(jīng)歷較長時間。通常要進(jìn)行活化處理，其工藝是

18、在高真空中加熱到300 0C后，通以高純氫，如此反復(fù)數(shù)次破壞表面氧化膜并被凈化，而獲得良好的反應(yīng)活性。4. 簡述形狀記憶合金的特征。答：材料在某一溫度下受外力而變形，當(dāng)外力去除后，仍保持其變形后的形狀，但當(dāng)溫度上升到某數(shù)值時，材料會自動回復(fù)到變形前原有的形狀，似乎對以前的形狀仍保持著記憶。第六章 無機(jī)非金屬材料一填空題1. 典型的無機(jī)非金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)有 AX型晶體、AX2型晶體、A2X3型晶體、ABO3型晶體、AB2O4型晶體、金剛石和石墨的晶體、硅酸鹽晶體等類型。2. P2O5、SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3這幾種金屬氧化物中，酸性最強的是P2O5，堿性最強的是Fe2O3。

19、3. 陶瓷材料按化學(xué)成分分為 氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷 等幾種。4. 普通陶瓷是用 黏土(Al2O32SiO2H2O)、長石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)、石英(SiO2)等原料燒制而成。5. 在硅酸鹽水泥中有四種礦物質(zhì)，即硅酸三鈣（3CaOSiO2，簡寫為C3S）、硅酸二鈣（2CaOSiO2，簡寫為C2S）、鋁酸三鈣（3CaOAl2O3，簡寫為C3A）、鐵鋁酸四鈣（4CaOAl2O3Fe2O3，簡寫為C4AF）。6. 水泥凝結(jié)硬化分為三個階段，分別是溶解期、膠化期、硬化期（結(jié)晶期）。二簡答題1.無機(jī)非金屬材料的結(jié)合鍵包括幾類？由它們組成的材

20、料性能有何區(qū)別？答：1）無機(jī)非金屬材料的結(jié)合鍵包括共價鍵和離子鍵兩類； 2）鍵的比例對性能具有決定性作用，由于二者具有相對高的能量，其混合鍵的鍵能也比較大，一般為100-500 kJ/mol（金屬為60-250 kJ/mol），從而給無機(jī)非金屬材料帶來熔點高、硬度高、脆性大、透明度高、導(dǎo)電性低的性質(zhì)特點。2. 試畫出NaCl晶體結(jié)構(gòu)原子空間分布圖。3. 試描述無機(jī)非金屬材料的各種性能。答：1）熱力學(xué)性能：與金屬材料和高分子材料相比，耐高溫是陶瓷材料的優(yōu)異特性之一；2） 力學(xué)性能：與金屬材料相比，無機(jī)非金屬材料由于化學(xué)鍵多為離子鍵和共價鍵，鍵能高且鍵具有明顯的方向性，所以晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其彈性、硬

21、度、塑性、強度、斷裂和沖擊性能等與金屬材料差異較大；3） 電學(xué)性能：金屬能導(dǎo)電，主要是其具有核外自由運動的自由電子，而無機(jī)非金屬材料一般都不具有自由電子，所以導(dǎo)電性較差，那意味著此類材料多為良好的絕緣體；4） 磁學(xué)性能：無機(jī)非金屬材料具有強磁性、高電阻和低松弛損失等特性，將其用于電子技術(shù)中的高頻器件比用磁性金屬優(yōu)越；5） 光學(xué)性能：無機(jī)非金屬材料光學(xué)性能具有多樣性和復(fù)雜性，主要包括對光的折射、反射、吸收、散射和透射，以及受激輻射光放大的特性等多方面；6） 化學(xué)性能：無機(jī)非金屬材料多由氧化物組成，隨著其鍵合力的增加而酸性越強，堿性越弱。4. 陶瓷材料都包括哪些陶瓷？其性能、應(yīng)用有何區(qū)別？答：1）

22、氧化物陶瓷：種類繁多，在陶瓷家族中占有非常重要的地位，最常用的氧化物陶瓷有Al3O2、SiO2、ZrO2、MgO、CeO2、CaO2、Cr2O3、莫來石（Al3O2SiO2）和尖晶石（MgAl2O4）等，陶瓷中的Al3O2和SiO2相當(dāng)于金屬材料中的鋼鐵和鋁合金一樣受到廣泛應(yīng)用：2） 碳化物陶瓷：一般具有比氧化物更高的熔點，最常用的是SiC、WC、B4C、TiC等，碳化物陶瓷在制備過程中需要氣氛保護(hù)；3） 氮化物陶瓷：應(yīng)用最廣泛的是Si3N4，其具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和耐高溫性能，另外，TiN、BN、AlN等氮化物陶瓷的應(yīng)用也日趨廣泛；4） 硼化物陶瓷：應(yīng)用并不廣泛，主要是作為添加劑或第二相加入其它陶瓷基體中，以達(dá)到改善性能的目的。5. 水泥水化硬化過程如何？答：水泥的水化硬化過程：3CaOSiO2 +H2O 2CaOSiO2（-1）H2O + Ca(OH)22CaOSiO2 +H2O 2CaOSiO2H2O3CaOAl2O3 + 6H2O 3CaOAl2O36H2O4CaOAl2O3Fe3O4 + 7H2O 3CaOAl2O36H2O + CaOFe3O4