材料化学第二版课后答案

1. 什么是材料化学？其主要特点是什么？

答：材料化学是有关于材料的结构、性质、制备及应用的化学。

主要特点：跨学科性，实践性。

2. 材料与试剂的主要区别是什么？

答：试剂在使用过程中通常被消耗并转化为其他物质，而材料通常是可重复的、连续的，除了正常的消耗外，它不会不可逆地转化为其他物质。

3. 观察一只灯泡，列举制造灯泡所需的材料。

4. 材料按其组成和结构可以分为哪几类？如果按功能和用途对材料分类，列举十种不同功能或用途的材料。

答：（1）金属材料，无机非金属材料，高分子材料，复合材料

（2）导电材料、绝缘材料、生物医用材料、航天航空材料、能源材料、电子信息材料、感光材料

5. 简述材料化学的主要内容。

答：结构：原子和分子在不同层次彼此结合的形式、状态和空间分布。

特性：材料固有的化学、物理和力学特性。

制备：将原子和分子结合在一起，并最终将其转化为有用的产品应用。

第二章

1.原子间的结合键共有几种 ？各自特点如何？

特点 键强 形成晶体的特点

离子键 无饱和性、无方向性、高配位数。 最强 高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电。

共价键 有饱和性、有方向性、低配位数 强 高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、在熔态也不导电。

金属键 电子共有化，可以自由流动；无饱和性、无方向性、配位数高 较强 塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性。

范德华键 无饱和性、无方向性 最弱

氢键 有饱和性、有方向性 弱

3.计算体心立方及六方密堆的的堆积系数。

（1）体心立方

单位晶胞原子数 n = 2

（2）六方密堆

n=6

（3）面心立方

n=4 68.0)3/4()3/4(2)3/4(2＝3333bccRRaR

10. 单质Mn有一种同素异构体为立方结构，其晶胞参数为，密度= gcm-3，原子半径r = ，计算Mn晶胞中有几个原子，其堆积系数为多少？

11.

固溶体与溶液有何异同？固溶体有几种类型？

固体溶液与液体溶液的共同点：均具有均一性、稳定性，均为混合物，均存在溶解性问题（对固态溶液称为固溶度，对液体溶液称为溶解度）；

(1)均一性：溶液各处的密度、组成和性质完全一样；

(2)稳定性：温度不变，溶剂量不变时，溶质和溶剂长期不会分离；

(3)混合物：溶液一定是混合物。

固体溶液与液体溶液的不同点：固溶体的溶质和溶剂均以固体形式出现，而液体溶体的溶质和溶剂均以液体形式出现；

固溶体：又称固体溶液，指由一种或多种溶质组元溶入晶态溶剂，并保持溶剂晶格类型所形成的单相晶态固体。

固溶体按固溶度分可两种类型：有限固溶体与无限固溶体；按溶质原子在晶格中的位置可分为置换固溶体与填隙固溶体。

12.试述影响置换固溶体的固溶度的因素?

答：有原子或离子半径大小，电价，化学键性质，晶体结构等因素。

（1）原子或离子半径大小：

%100121rrrr，Δr < 15 %, 形成连续固溶体；15% < Δr < 30%, 形成有限固溶体；Δr ＞ 30%,难形成固溶体；

（2）电价：两种固体只有在离子价相同或同号离子的离子价总和相同时，才能满足电中性要求，形成连续固溶体。

（3）化学键相近，易形成连续固溶体。 （4）晶体结构类型相同，易形成连续固溶体。

15.

说明为什么只有置换型固溶体的两个组份之间才能相互完全溶解，而填隙型固溶体则不能。

答：置换型固溶体：溶质原子代替一部分溶剂原子占据溶剂晶格某些结点位置所组成的固溶体。

间隙型固溶体：溶质原子进入溶剂晶体间隙位置所形成的固溶体。

由于溶剂晶体间隙有限，能填入异质原子或离子的数目也有限，因此间隙型固溶体是有限固溶体。

晶体的晶胞棱长为，试计算NaCl的晶格能。

21.高分子材料的聚态结构有哪些？

晶态结构,非晶态结构,取向态结构,液晶态结构以及织态结构

22.简述高分子链的柔顺性与其结构的关系。

主链结构

主链结构对高分子链柔顺性影响很显著。

（1）碳链高分子：

ａ 不饱和碳链高分子比饱和碳链高分子柔顺。

PB>PE IR>PP PVC>CR

ｂ 主链含有苯环的高分子和有共轭双键的高分子柔顺性差。

聚苯醚（PPO）

聚苯

聚乙炔 （2）杂链高分子和元素高分子：

Si-O > C-N > C-O >C-C

硅橡胶 尼龙类 酯类 烯类

侧基－侧基的极性、体积和对称性

（1）极性侧基

极性的大小：极性越大，链的柔顺性越小。

PAN > PVC > PP

极性多少：极性基增多，则柔顺性减小。

氯化聚乙烯当含氯量小时是一种弹性好的橡胶 ，随着含氯量的增加，链的柔顺性下降，弹性下降最后变形一种硬质材料。

聚乙烯 > 聚氯乙烯 > 1,2聚二氯乙烯

对称性：取代基对称分布时,柔顺性好

聚偏二氯乙烯 > 聚氯乙烯

（2） 非极性侧基

当侧基是柔性时，侧基越长，链的柔性越好。

聚甲基丙烯甲酯 < 聚甲基丙烯乙酯< 聚甲基丙烯丙酯

当侧基是刚性时,侧基体积增大,空间位阻效应增加,柔顺性下降.

PE > PP > PS > 聚乙烯基咔唑

当侧基对称时,柔顺性增加.

PP < PIB

支化与交联

（1）支化：

长支化－－分子链之间的物理缠结作用增加，分子链活动受阻，柔顺性下降。

短支化－－分子链间距离增大，柔顺性增加。

（2）交联：

轻度交联－－不影响链的活动能力，柔顺性不变。

高度交联－－链的活动受阻，柔顺性下降。

氢键及分子间作用力

如果高分子在分子内或分子间形成氢键，则分子链的刚性增加。 聚乙烯 > 聚甲醛

23.什么是液晶聚合物？高分子液晶有哪几种结构类型？

兼具晶体的光学性质和液体流动性质，是某些物质在熔融态或在溶液状态下所形成的有序流体的总称

液晶是介于完全有序晶体与各向同性液体之间的一种中间状态，确切地说，它是一种取向有序的流体，它既有液体的易流动性，又有晶体双折射各向异性的特性。

按液晶形成的方式和性能分类

a、溶致性液晶：在溶液中当达到某一临界浓度以上时呈现液晶性能

聚对苯二甲酰对苯二胺(Kevlar) 聚对苯酰胺 聚对苯撑苯并噻唑

b. 热致性液晶：聚合物加热至熔点以上某一个温度范围呈现液晶性能。

液晶的物理结构主要是指分子在空间的排列状态。高分子液晶与小分子液晶一样，也可以呈现三种不同的聚集状态，即向列型、近晶型和胆甾型液晶态。

第四章

4. 埃灵罕姆图上大多数斜线的斜率为正，但是反应C+O2→CO2的斜率为0，反应2C+O2=2CO的斜率为负，请解释原因。

△G0=△H0 - T△S0 △G0与温度T关系式的斜率为-△S0

C（s）+O2（g）→CO2（g）

氧化过程气体数目不变，则△S0=0, （-△S0）=0，斜率为零。

2C（s）+O2（g）=2CO（g）

氧化过程气体数目增加，则△S0>0, （-△S0）<0，斜率为负。

第五章

1. 什么是湿法冶金？湿法冶金有什么优点？

答：湿法冶金是利用一些化学溶剂的化学作用，在水溶液或非水溶液中进行包括氧化，还原，中和，水解和络合等反应。

优点：原料中有价金属综合回收程度高，有利于环境保护，并且生产过程较易实现连续化和自动化。

2.从金属的结构特点，说明制备非晶态金属的关键是什么？

①必须形成原子或分子混乱排列的状态；

②必须将这种热力学上的亚稳态在一定的温度范围内保存下来，使之不向晶态转变。

3.陶瓷的固相烧结一般可分为哪几个阶段？

答：3个阶段：①初始阶段：主要表现为颗粒形状改变；

②中间阶段：主要表现为气孔形状改变；

③最终阶段：主要表现为气孔尺寸改变。

4.聚合实施方法有哪几种？哪些方法适合于制备颗粒状聚合物？

答：4种：本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合。

悬浮聚合适用于制备颗粒状聚合物。 5.提拉法中，控制晶体品质的因素主要有哪些?

答:提拉法中，控制晶体品质的主要因素有固液界面的温度梯度、生长速率、转晶速率以及熔体的流体效应等。

6.单晶硅棒和厚度约1 μm的薄膜分别可用什么方法制备?

答:(1)单晶硅棒可以用晶体生长技术中的提拉法来制备，即将硅原料熔体盛放在增锅中，籽晶杆带着籽晶由上而下插入熔体，由于固液界面附近的熔体维持一定的过冷度，熔体沿籽晶结晶，以一定速度提拉并且逆时针旋转籽晶杆，随着籽晶的逐渐上升，生长成单晶硅棒。

(2)厚度约1μm的单晶硅薄膜可用阴极溅射法制备，即利用高能粒子轰击固体靶材表面(Si)使得靶材表面的原子或原子团获得能量并逸出表面，然后在基片的表面沉积形成单晶硅薄膜。

7.液相外延法和气相沉积法都可制备薄膜，如果要制备纳米厚度的薄膜，应采用哪种方法?

答:液相外延法具有设备简单、纯度高的特点，但是由于晶体成核和生长的速率较快，得到的膜较厚，很难得到纳米厚度的薄膜。物理气相沉积可通过调控蒸镀源与靶之间的距离来调控膜沉积的速率，化学气相沉积可通过体系的温度、压力等因素来调控膜沉积的速率。因此，如果要制各纳来厚度的薄障，应采用气相沉积法比转奸。

法沉积Si0:可通过哪些反应实现?写出相关化学方程式。

答:CVD法沉积Si0:可通过以下几种反应来实现。

（1）烷氧化物的热分解:Si(OC2H5)4→ Si02 + C2H4 + H20

（2）硅化合物的氧化反应:SiCl4(g) + O2 (g)→Si02(s) + 2C12(g)

SiH4(g)+ O2(g)→Si02(s)+2H2(g)

SiC14(g)+2C02+2H2(g)→Si02(s)+4HC1(g)+2C0(g)

（3）硅化合物的水解反应:SiC14(g) + 2H20(g)→Si02(s) + 4HC1(g)

9. 用什么方法可以对Cu和Cu2O进行分离?写出相关化学方程式。

答:对Cu和Cu20进行分离，可以采用化学气相输运技术，以HCl作为输运气体。过程

中发生如下反应:

由于从Cu20生成CuCI为放热反应，而从Cu生成CuCI为吸热反应，因此Cu20在较高温