《材料科学导论》课程习题1st-5th-解答-2014及应用
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1 《材料科学导论》第1次作业答案 2013－2014学年春季学期
1、求质量为10g的Al材料中所包含的价电子数。已知Al的原子量为27 2、分别简述形成离子键、共价键和金属键的条件和特点及其对材料性能的影响。 3、根据电负性数据预测下列材料最可能的一次键。(a)Cu; (b)KCl; (c)Si; (d) CdTe 4、试计算MgO和GaAs晶体的化学键中离子键成分为多少？已知Mg、O、Ga和As的电负性分别为：1.3、3.5、1.6和2.0。
5、Na的熔点为89oC ，K 的熔点为63.5oC, Ti的熔点为1660 oC,试从电子结构差别进行解释说明？
6、已知C原子的核外电子数有6个，试写出各个电子运动的四个量子数。 7、请写出22Ti的核外电子填充过程。 8、原子序数为12的Mg 有三种同位素： 78.70%的Mg原子有12个中子，10.13% 的Mg原子有13个中子，11.17%的Mg原子有14个中子，试计算Mg的原子量。
9、试计算原子N壳层内的最大电子数。若K、L、M 和N 壳层中所有能级都被填满，试确定该原子的原子数。
10、简述范德华力的组成及其特性。 11、试说明原子的几种结合力，比较它们之间的大小。 12、根据化学组成不同简述工程材料的主要分类？ 13、材料科学与工程研究的主要内容和相互关系？试用四面体表示其主要内容之间的相互关系 2
第一次作业——答案 1、 答： 10n0.3704mol
27（）
原子个数：2323n0.37046.02102.2310
ANN
价电子数：2323332.23106.6910AN
2、
答：① 离子键：
形成条件：金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起形成离子键。 特点：以离子为结合单元，作用力强，而且随距离的增大减弱较慢；无方向性、无饱和性。 对材料性能的影响：在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，此时即呈现离子导电性。 ②共价键： 形成条件：由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成。 特点：具有方向性和饱和性 对材料性能的影响：共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点，共价结合的材料一般都是绝缘体，其导电能力较差。 ③金属键： 形成条件：金属原子最外层电子数很少，原属于各个原子的价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，并在整个晶体内运动，而形成电子云，金属中的自由电子与金属正离子相互作用形成金属键。 特点：电子共有化，无方向性和饱和性。 对材料性能的影响：良好的导热性和导电性、良好延展性和金属光泽。
3、
答：(a)金属键 XCu=1.9
(b)离子键 XCl-XK=3.0-0.8=2.2>1.7;
(c) Si-共价键：Si-Si (d)共价键 XTe-XCd=2.1-1.7=0.4<1.7
4、 答：% ionic character＝2ABX-X41e100%
MgO：% ionic character＝23.5-1.341e100%=70.2%
GaAs：% ionic character＝22.0-1.641e100%=3.9% 3
5、Na的熔点为89℃ ，K 的熔点为63.5℃, Ti的熔点为1660 ℃,试从电子结构
差别进行解释说明？ 答：金属内部存在着金属键作用，其本质是金属阳离子和自由电子之间的静电作用，它的
强弱决定着金属晶体熔沸点高低。由于Na，K处于同一主族，它们都可以形成+1价离子，由于它们的半径逐渐增大，静电作用不断减弱，所以熔沸点逐渐降低。而在金属钛中由于核外价电子数量增加，因此电子与核外电子间的吸引力增大，再加上3d电子的引入和更多的共价键特性影响，因此Ti的熔点相对与Na、K更高，
为1660 oC
6、已知C原子的核外电子数有6个，试写出各个电子运动的四个量子数。（略） 7、请写出22Ti的核外电子填充过程。 答： 22Ti: 1s22s22p63s23p64s23d2
8、原子序数为12的Mg 有三种同位素： 78.70%的Mg原子有12个中子，10.13%
的Mg原子有13个中子，11.17%的Mg原子有14个中子，试计算Mg的原子量。 MMg = 0.787×(12+12)+ 0.1013×(12+13)+ 0.1117×(12+14) MMg = 24.325
9、试计算原子N壳层内的最大电子数。若K、L、M 和N 壳层中所有能级都
被填满，试确定该原子的原子数。 N壳层内的最大电子数= 2×42=32； 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f14, 该原子的原子数=70
10、简述范德华力的组成及其特性。
答：范德华(Van der Waals)力：包括静电力、诱导力和色散力，没有方向性和饱和性。例如：Ar、Cl2。 取向力是极性分子间固有的偶极距作用力，大小与分子的极性和温度有关。 诱导力是分子间固有偶极与诱导偶极间的作用力，大小与分子的极性和变形有关。 色散力是分子间瞬时偶极所产生的作用力，大小与分子变形（电子云形状）及分子量有关。分子量愈大，分子内含的电子数愈多，色散力和分子变形亦愈大。
11、试说明原子的几种结合力，比较它们之间的大小。
答： 金属键：由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。其基本特点是电子的共有化，无饱和性，无方向性。例如：Hg、Al、Fe、
W。 离子键：金属原子将最外层家电子给予非金属原子成为带正电的正离子，非金属原子得到价电子后成为带负电的负离子，正负离子依靠静电引力结合在一起。其基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合，例如：NaCl、MgO。 共价键：共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而4
合成/制备 Synthesis/Processing
效能/价格 Performance/cost
性质 Poperties
成分/结构 Composition/Structure
形成的化学键。共价键有方向性和饱和性。氢分子中两个氢原子的结合是最典型的共价键。其它例如：Si、C(金刚石)。 范德华(Van der Waals)力：包括静电力、诱导力和色散力，没有方向性和饱和性。例如：Ar、Cl2。 结合力大小：离子键>共价键>金属键>氢键>范德华(Van der Waals)力
12、根据化学组成不同简述工程材料的主要分类？ 答：金属材料，非金属材料，高分子材料，复合材料 13、材料科学与工程研究的主要内容和相互关系？试用四面体表示其主要内容之
间的相互关系 答：材料科学与工程（MSE）的主要内容（四大要素）是：材料的组成和结构、材料的合成与制备、材料的性能和材料的使用效能。在材料科学与工程学科中，材料的组成、结构和合成制备是材料性能的基础；而在特定使用环境下上述三者共同表现出材料的使用效能和性价比。 5
《材料科学导论》第二次作业答案 2013-2014学年春季学期
1、试绘图说明四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型。 2、从内部原子排列和性能上看，非晶态和晶态物质主要区别何在？
3、 计算简单立方、体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数和
原子堆积系数。
4、面心立方晶胞中的四面体和八面体空隙数各有多少个？请写出面心立方晶胞
中所有四面体空隙中心位置的坐标。
5、试计算体心立方结构铁（Fe）元素的密度,已知其晶胞参数为0.2866nm，其原
子量为55.874。
6、（1）请画出金刚石的晶体结构并计算其晶胞原子堆积系数。（2）金刚石为碳
的一种晶体结构，其晶格常数a=0.357nm，当它转换成石墨(ρ=2.25g/cm3) 结构
时，求其体积改变百分数？
7、根据以下结构计算CsCl的理论密度。已知Cs和Cl的原子量分别为132.9和
35.45，Cs＋和Cl－的半径分别为0.167nm和0.181nm。
8、Mn的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为0.632nm，ρ为7.26g/cm
3
，
r为0.112nm，问Mn晶胞中有几个原子，其致密度为多少？
9、由于H原子可填入-Fe的间隙位置，若每200个铁原子伴随着一个H原子，
试求-Fe理论和实际密度与致密度（已知
-Fe 为体心立方结构a=0.286nm，
rFe=0.1241nm， rH=0.036nm）。
10. 写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
Cs Cl
