固 体 化 学
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1(吕映南曾斌)解释概念(1)纳米碳管;(2)纳米颗粒:(3)原子团簇;(4)纳米复合材料。
纳米碳管:管状的纳米级石墨晶体,是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管,每层的C是SP2杂化,形成六边形平面的圆柱面。
纳米颗粒:指纳米量级的微观颗粒。
它被定义为至少在一个维度上小于100纳米的颗粒。
原子团簇:简称团簇,是由几个乃至上千个原子(或分子)组成的相对稳定的聚集体。
纳米复合材料:以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相,以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性剂为分散相,通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中,形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系,这一体系材料称之为纳米复合材料。
2(吕映南)举例说明原子团簇的结构与性质。
结构:1:绝大多数原子团簇的结构不确定,形状可以有线状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等,团簇中每增加一个原子,团簇结构就要发生改变。
2:少数团簇存在稳定结构与幻数。
效应:1:同位数效应:Cu团簇的原子数具有奇偶性质,具有奇数原子的团簇具有较大的产额2:量子尺寸效应:在临界尺寸以下,团簇电子最低允许跃迁能量较大,大于临界尺寸后,跃迁能逐渐接近大块材料3:磁性:平均有效磁矩随团簇尺寸增大而增加,铁磁性物质的团簇具有超顺磁驰豫4:光学性质:纳米级的铁原子团簇对红外辐射具有较好的吸收特性5:小尺寸效应:原子团簇独特的性质源于其结构上的特点,因其尺寸小,处于表面的原子比例极高,而表面原子的几何构型、自旋状态以及原子间作用力都完全不同于体相内的原子。
材料的性质与内部单元的表面性质息息相关。
例如仅仅通过调节团簇的大小,物质特性就有极大的不同,10 个铁原子的团簇在催化氨合成时要比17个铁原子的团簇效能高出1000倍。
3(曾斌)简述原子团簇,纳米颗粒,微细颗粒之间的区别与联系。
区别:尺寸方面:原子团簇:仅包含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒子称为“簇”,它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。
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一、初识金太阳人教版高一必修一化学固学案P26金太阳人教版高一必修一化学固学案P26是化学教材中的重要内容,该学案涉及了许多基础的化学知识和学习方法。
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学生将学习到晶体的结构和性质,了解晶体的分类和特点。
学生将了解到离子晶体的结构与性质,理解离子晶体的特殊性质以及相关的化学实验。
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固学案P26的内容对于学生的化学知识和实践能力的提升具有重要的意义。
通过深入研究这些内容,学生可以对物质的结构和性质有更深入的了解,从而为将来的学习和应用打下坚实的基础。
三、总结与回顾通过对固学案P26的深入探讨,我们可以清晰地了解到晶体的结构和性质、离子晶体和分子晶体的特点,以及相关的化学实验和应用。
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什么是固态物理学?固态物理学是物理学的一个分支学科,研究固态材料的物理性质和结构。
固态物理学是探索物质微观结构和物理特性的学科,主要研究物质的力学性质、磁学、电学、热学等方面,是与固体电子学、凝态化学等学科密切关联的重要学科。
下面,我们将会详细剖析什么是固态物理学,其中涉及到以下三个方面:一、固态物理学的定义和研究内容固态物理学主要研究物质的力学性质、磁学、电学、热学、声学等方面。
它的研究对象是固态材料的物理性质和结构,如晶格结构、能带结构、导带和禁带等等。
通过研究材料的物理性质和结构,固态物理学可以帮助人们理解物质的性质及其变化规律,为制造新材料和新能源提供基础支持。
二、固态物理学的理论体系在当前的固态物理学中,有三个比较基础的理论:固体的晶体学、能带理论和格林函数方法。
其中,固体的晶体学主要研究材料的晶体结构和晶格缺陷;能带理论研究的是材料中的电子结构和原子之间的化学键;格林函数方法主要用于研究材料的输运性质。
这三个理论构成了固态物理学的基础,为固态物理学的深入探索提供了理论支持。
三、固态物理学的应用固态物理学的研究成果有着广泛的应用领域,可以应用于新能源、新材料、信息技术等领域。
其中,半导体材料是固态物理学研究最具有代表性的应用领域之一,它不仅是计算机、手机等电子设备中的核心材料,同时在太阳电池等领域也有广泛的应用。
还有磁存储材料、光学材料等等,固态物理学的研究对于促进新材料的研发有着非常重要的意义。
总结:固态物理学是物理学的重要分支,主要研究固态材料的物理性质和结构。
固态物理学包括了固体的晶体学、能带理论和格林函数方法,对于当前的新能源、新材料、信息技术等领域的发展有着重要的作用。
固体化学[填空题]1什么是固体化学?参考答案:固体化学是研究固体物质的制备、组成、结构、性质和反应的化学分支学科。
它是无机化学、固体物理、晶体结构和材料科学等多门学科的交叉领域,已成为当前无机化学学科中一个十分活跃的新兴分支学科。
[填空题]2按照材料的化学组成来分类,固体材料可以分成哪几类?参考答案:金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料。
[填空题]3按照材料组成的有序程度来分类,固体材料可以分成哪几类?参考答案:晶态:固体具有长程有序的点阵结构,如氯化钠、硫化锌、砷化锌等,其中的组成原子或基元是处于按一定格式空间排列的状态。
非晶态:固体的结构类似液体,只在几个原子间距的量程范围内或者说原子在短程处于有序状态,而长程范围原子的排列没有一定的格式,如玻璃和许多聚合物。
[填空题]4举例说明何谓共价晶体?何谓分子晶体?二者在电学性质上有什么本质的区别?参考答案:共价晶体:组成原子之间靠共价键结合,键有方向性和饱和性,如硅、InSb、PbTe。
分子晶体:组成分子之间靠范德华力结合,键能低。
如Ar,H2、CO2。
[填空题]5当今导致重大科学与技术进步的五大实验技术手段是什么?参考答案:激光技术、核磁共振、同步辐射、质谱、超高压技术。
[填空题]6什么是软化学合成?参考答案:软化学合成方法:它力求在中低温或溶液中使反应起始物在分子状态上均匀混合,进行可控的反应步骤,经过生成前驱体或中间体,最后生成具有指定组成、结构和形貌的材料。
[填空题]7晶体中可以存在多少个晶系?多少个空间群?多少个点阵?参考答案: 7个晶系,230个空间群,14个点阵。
[填空题]8简述气相传输反应和化学气相沉积法(CVD)的区别。
参考答案:用于气相传输反应的试剂不参与总体的化学反应,而在CVD中,气相试剂既充当传输的作用,有参与了化学反应。
[填空题]9单晶与多晶的主要区别是什么?参考答案:单晶在长程范围内具有平移周期性。
[填空题]10控制单晶大小和纯度的主要因素是什么?参考答案:控制单晶大小和纯度的主要因素是成核和生长。
固体化学绪论—材料引言固体化学是研究固体材料的制备、组成、结构和性质的一门科学.它着重研究固体材料的化学反应、合成方法、晶体生长、化学组成和晶体结构;研究固体中缺陷及其对物质的物理及化学性质的影响等;探索固体物质实际应用的可能性。
按化学组成(基本组成)划分金属材料:由金属元素组成的材料。
单质金属具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。
具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。
无机非金属材料:由各种盐为原料和氧化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成。
高分子材料:高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。
复合材料:由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。
材料科学与工程的四个基本要素:合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。
材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应,主要决定于材料的组成与结构。
使用性能是材料在使用状态下表现的行为,它与材料设计、工程环境密切相关。
合成与制备过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加工等,也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺,使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。
第二章固体中的缺陷缺陷:把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。
理想晶体:质点严格按照空间点阵排列。
实际晶体:存在着各种各样的结构的不完整性。
形成原因:热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等点缺陷(零维缺陷): 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上,即三维方向上缺陷的尺寸都很小。
包括:空位、间隙质点、杂质质点。
点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。
线缺陷(一维缺陷)指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷。
如各种位错线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。
面缺陷(二维缺陷)是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷,如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。
面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。
按缺陷产生的原因分类1. 热缺陷2. 杂质缺陷3. 非化学计量缺陷4. 其它原因,如电荷缺陷,辐照缺陷等定义: 热缺陷亦称为本征缺陷,是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点(原子或离子)。
类型: 弗仑克尔缺陷和肖特基缺陷热缺陷浓度与温度的关系: 温度升高时,热缺陷浓度增加2.杂质缺陷亦称为组成缺陷,是由外加杂质的引入所产生的缺陷。
特征:如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内,则杂质缺陷的浓度与温度无关。
3.非化学计量缺陷:指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷。
它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生。
特点:其化学组成随周围气氛的性质及其分压大小而变化。
是一种半导体材料。
4. 其它原因,如电荷缺陷,辐照缺陷等点缺陷一、点缺陷的符号表征:Kroger-Vink 符号以MX 型化合物为例:1.空位用V 来表示,符号中的右下标表示缺陷所在位置,V M 含义即M 原子位置是空的。
2.间隙原子亦称为填隙原子,用M i 、X i 来表示,其含义为M 、X 原子位于晶格间隙位置。
3. 错位原子 错位原子用M X 、X M 等表示,M X 的含义是M 原子占据X 原子的位置。
X M表示X 原子占据M 原子的位置。
4. 自由电子与电子空穴,分别用e ,和h ·来表示。
其中右上标中的一撇“,”代表一个单位负电荷,一个圆点“ · ”代表一个单位正电荷。
5.带电缺陷 ,在NaCl 晶体中,取出一个Na +离子,会在原来的位置上留下一个电子e ,,写成V Na ’ ,代表Na +离子空位,带一个单位负电荷。
Cl -离子空位记为V Cl · ,带一个单位正电荷。
即:V Na ’=V Na +e ,,V Cl · =V Cl +h ·。
其它带电缺陷:1)CaCl 2加入NaCl 晶体时,若Ca 2+离子位于Na +离子位置上,其缺陷符号为Ca Na · ,此符号含义为Ca 2+离子占据Na +离子位置,带有一个单位正电荷。
2)Ca Zr ,,表示Ca 2+离子占据Zr 4+离子位置,此缺陷带有二个单位负电荷。
6.缔合中心:电性相反的缺陷距离接近到一定程度时,在库仑力作用下会缔合成一组或一群,产生一个缔合中心, V M 和V X 发生缔合,记为(V M V X )。
二、缺陷反应表示法: 产生的各种缺陷杂质基质−−−→−1.写缺陷反应方程式应遵循的原则1)位置关系:在化合物M a X b 中,无论是否存在缺陷,其正负离子位置数(即格点数)之比始终是一个常数a/b ,(2)质量平衡: 与化学反应方程式相同,缺陷反应方程式两边的质量应该相等。
需要注意的是缺陷符号的右下标表示缺陷所在的位置,对质量平衡无影响。
(3)电中性 :电中性要求缺陷反应方程式两边的有效电荷数必须相等。
2.缺陷反应实例杂质进入基质晶体时,一般遵循杂质的正负离子分别进入基质的正负离子位置的原则,这样基质晶体的晶格畸变小,缺陷容易形成。
在不等价替换时,会产生间隙质点或空位。
例1: 写出NaF 加入YF 3中的缺陷反应方程式以正离子为基准,反应方程式为: 以负离子为基准,反应方程式为:例2: 写出CaCl 2加入KCl 中的缺陷反应方程式 以正离子为基准,缺陷反应方程式为:以负离子为基准,则缺陷反应方程式为: 基本规律:低价正离子占据高价正离子位置时,该位置带有负电荷,为了保持电中性,会产生负离子空位或间隙正离子。
高价正离子占据低价正离子位置时,该位置带有正电荷,为了保持电中性,会产生正离子空位或间隙负离子。
三、热缺陷在外力作用下的运动 .F F Y YF V 2F ''Na NaF 3++−−−→−F .i Y YF 3F 2Na ''Na 3NaF 3++−−−→−'Cl Cl Ca CaCl i Cl .K KCl 2++−−−→−Cl K .K KCl 2Cl 2'V Ca CaCl ++−−−→−由于热缺陷的产生与复合始终处于动态平衡,即缺陷始终处在运动变化之中,缺陷的相互作用与运动是材料中的动力学过程得以进行的物理基础。
无外场作用时,缺陷的迁移运动完全无序。
在外场(可以是力场、电场、浓度场等)作用下,缺陷可以定向迁移,从而实现材料中的各种传输过程(离子导电、传质等)及高温动力学过程(扩散、烧结等)能够进行。
线缺陷(line defects ,dislocation )位错模型的提出背景:完整晶体塑性变形——滑移的模型→金属晶体的理论强度→理论强度比实测强度高出几个数量级→ 晶体缺陷的设想——线缺陷(位错)的模型→ 以位错滑移模型计算出的晶体强度,与实测值基本相符。
一、位错的类型:晶体在不同的应力状态下,其滑移方式不同。
根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同,位错分为刃位错、螺位错和混合位错。
(一)刃位错形成及定义:晶体在大于屈服值的切应力τ作用下,以某一面为滑移面发生滑移。
形成晶体已滑移部分和未滑移部分的交线,犹如砍入晶体的一把刀的刀刃,刃位错。
几何特征:位错线与原子滑移方向相垂直;滑移面上部位错线周围原子受压应力作用,原子间距小于正常晶格间距;滑移面下部位错线周围原子受张应力作用,原子间距大于正常晶格间距。
分类:正刃位错,“⊥” ;负刃位错,“T” 。
符号中水平线代表滑移面,垂直线代表半个原子面。
(二)螺位错形成及定义:晶体在外加切应力作用下,沿某一面面滑移,产生已滑移区与未滑移区的分界。
由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面,称为螺位错。
几何特征:位错线与原子滑移方向相平行;位错线周围原子的配置是螺旋状的。
分类:有左、右旋之分,分别以符号“⋃”和“⋂”表示。
三)混合位错:在外力作用下,两部分之间发生相对滑移,在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向(伯氏矢量b),这样的位错称为混合位错。
位错线上任意一点,经矢量分解后,可分解为刃位错和螺位错分量。
晶体中位错线的形状可以是任意的,但位错线上各点的伯氏矢量相同,只是各点的刃型、螺型分量不同而已。
二、位错的伯格斯矢量及位错的性质伯格斯矢量:晶体中有位错存在时,滑移面一侧质点相对于另一侧质点的相对位移或畸变。
性质:大小表征了位错的单位滑移距离,方向与滑移方向一致。
(一)伯格斯矢量的确定及表示1.确定伯格斯矢量的步骤(1)对于给定点的位错,人为规定位错线的方向。
(2)用右手螺旋定则确定伯格斯回路方向。
(3)按照规律走回路,最后封闭回路的矢量即要求的伯氏矢量。
2 .伯氏矢量的表示方法b=ka[uvw](二)伯氏矢量的守恒性:对一条位错线而言,其伯氏矢量是固定不变的位错的滑移:指位错在外力作用下,在滑移面上的运动,结果导致永久形变。
位错的攀移:指在热缺陷的作用下,位错在垂直滑移方向的运动,结果导致空位或间隙原子的增加或减少。
刃位错除了滑移外,还可进行攀移运动。
攀移的实质是多余半原子面的伸长或缩短。
包括:(1)化学攀移力,指不平衡空位浓度施加给位错攀移的驱动力。
(2)弹性攀移力,指作用于半原子面上的正应力分量作用下,刃位错所受的力。
位错攀移的激活能由割阶形成的激活能及空位的扩散活化能两部分所组成。
常温下位错靠热激活来攀移是很困难的。
在许多高温过程如蠕变、回复、单晶拉制中,攀移却起着重要作用。
位错攀移在低温下是难以进行的,只有在高温下才可能发生。
三、位错的反应:由于位错间相互作用力的存在,使得位错之间有可能发生相互转化或相互作用,此即位错反应。
位错能否发生反应,取决于两个条件:其一,必须满足伯氏矢量的守恒性;其二,必须满足能量条件。
面缺陷是将材料分成若干区域的边界,如表面、晶界、界面、层错、孪晶面等。
一、晶界:它的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关,当取向差θ小于10~15o 时,称为小角度晶界。
大角度晶界,一般大角度晶界的界面能大致在0.5~0.6J/m 2左右,与相邻晶粒的取向差无关。
二、堆积层错:堆垛层错,就是指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆垛的原子面而产生的一类面缺陷。
这种结构变化,只改变次邻近关系,几乎不产生畸变,所引起的畸变能很小。
是一种低能量的界面三、反映孪晶界面:如果从某一层起全部变为逆时针堆垛,则这一原子面成为一个反映面,两侧晶体以此面成镜面对称。
这两部分晶体成孪晶关系,两者具有反映关系,称反映孪晶,该晶面称孪晶界面。
固溶体将外来组元引入晶体结构,占据主晶相质点位置一部分或间隙位置一部分,仍保持一个晶相,这种晶体称为固溶体。
一、固溶体的分类可分为置换固溶体和间隙固溶体。
连续型固溶体和有限型固溶体。
1、置换式固溶体其溶质原子位于点阵结点上,替代了部分溶剂原子。
金属和金属形成的固溶体都是置换式的。