材料化学课后题答案.pptx
1材料与试剂的主要区别是什么？试剂在使用过程中通常被消耗并转化成别的物质材料则一般可重复、持续使用，除正常损耗外，它不会不可逆地转变成其他物质第1页/共51页2简述材料化学的主要研究内容结构：组成原子、分子在不同层次上彼此结合的形式、状态和空间分布性能：材料固有的化学、物理及力学方面的性能制备：将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续的过程应用第2页/共51页3材料中的结合键有哪几种？各自的特点如何？对材料的特性有何影响？第3页/共51页4类类 型型键本身特点键本身特点键合键合 强弱强弱形成晶体的特点形成晶体的特点离子键离子键无无饱饱和和性性、无无方方向向性性、高配位数高配位数最强最强高高熔熔点点、高高强强度度、高高硬硬度度、低低膨膨胀胀系系数数、塑塑性性较较差差、固固态态不不导电、熔态离子导电导电、熔态离子导电共价键共价键有有饱饱和和性性、有有方方向向性性、低配位数低配位数强强高高熔熔点点、高高强强度度、高高硬硬度度、低低膨膨胀胀系系数数、塑塑性性较较差差、在在熔熔态态也不导电也不导电金属键金属键电电子子共共有有化化，可可以以自自由由流流动动；无无饱饱和和性性、无方向性、配位数高无方向性、配位数高较强较强塑塑性性较较好好、有有光光泽泽、良良好好的的导导热、导电性热、导电性范德华范德华键键无饱和性、无方向性无饱和性、无方向性 最弱最弱氢键氢键有饱和性、有方向性有饱和性、有方向性弱弱各种结合键主要特点比较各种结合键主要特点比较第4页/共51页5计算体心立方结构和六方密堆结构的堆积系数单位晶胞原子数单位晶胞原子数 n=2bcc（1）体心立方第5页/共51页6（2）六方密堆hcpn=6第6页/共51页7fccn=4（3）面心立方第7页/共51页8已知K+和Cl-的半径分别为0.133 nm 和0.181 nm，试分析KCl的晶体结构，并计算堆积系数解：因为r+/r-=0.133/0.181=0.735，其值处于0.732和1.000之间，所以正离子配位数应为8，处于负离子立方体的中心，属于下面提到的CsCl型结构。a0=2r+2r-=2(0.133)+2(0.181)=0.628 nma0=0.363 nm2r+2r-第8页/共51页9简要回答晶体和非晶体的区别和转化从空间结构上来说，晶体长程；短程都有序，非晶体长程无序短程有序。宏观性质来说，（1）晶体具有整齐、规则的几何外形；非晶体没有一定的几何形状。（2）晶体具有各向异性；非晶体各向同性。（3）晶体有固定的熔点；非晶体没有。从热力学来说，晶体为热力学稳定状态；非晶体热力学不稳定。区别：转化：非晶体容易向晶体转化，而晶体只有在极端的条件下（如骤冷）才可以向晶体转化第9页/共51页10Chapter2 Structure of Materials固溶体与溶液有何异同？固溶体有机种类型？相同点：都有两种或两种以上的组分组成；都可以形成分散均匀、稳定的单一相，都存在溶解度不同点：状态不同，溶液为液态，固溶体为固态；结构不同，固溶体的溶质结构和溶剂相似，溶液只有在稀溶液时才相同；性质不同，固溶体的性质与溶剂有关，但溶液只有在稀溶液时才相同。分类：固溶体分为置换型固溶体和填充型固溶体第10页/共51页11试述影响置换型固溶体的固溶度的因素Hume-Rothery经验规则当 时，溶质与溶剂之间可以形成连续固溶体；当 时，溶质与溶剂之间只能形成有限型固溶体；当 时，溶质与溶剂之间很难形成固溶体或不能形成固溶体，而容易形成中间相或化合物。（1）原子或离子尺寸的影响第11页/共51页12Chapter2 Structure of Materials（2）电价因素一般来说，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，才可能满足电中性的要求，生成连续固溶体。（3）离子类型和键性化学键性质相近，即取代前后离子周围离子间键性相近，容易形成固溶体。（4）晶体结构类型的影响溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连续固溶体第12页/共51页13Chapter2 Structure of Materials说明下列符号的意义VNaNa脱离开原来的位置，形成的空位Na+脱离开原来的位置，形成的空位，有效电荷为-1Cl-脱离开原来的位置，形成的空位，有效电荷为+1CaKCa2+取代K+而进入K+的位置，有效电荷为+1CaCaCa取代Ca而进入占据Ca的位置Ca2+进入间隙位置，有效电荷为+2第13页/共51页14Chapter2 Structure of Materials写出CaCl2溶解在KCl中的各种可能的缺陷反应式Ca2+取代K+，Cl-进入Cl-晶格位置：Ca2+取代K+，Cl-进入间隙位置：Ca2+进入间隙位置，Cl-占据晶格位置：第14页/共51页15试求下图中所示方向的密勒指数A：E：B：F：C：G：D：第15页/共51页16试求下图中所示面的密勒指数A面：朝x方向平移一晶格参数，则x1，y，z 故为（1,0,0）B面：x1，y-1，z 1/2故为（1,1,1/2），即（1,1,2）C面：x1，y1，z-3/4故为（1,1,-3/4），即（1,1,-4/3）即（3,3,4）第16页/共51页17D面：x1，y1/3，z 故为（1,1/3,），即为（1,3,0）E面：x0，y0，z,故须平移，朝x方向平移一晶格参数，则x1，y-1，z 故为（1,-1,），即为（1,1,0）F面：x0，y0，z 1/2,故须平移，朝x方向平移一晶格参数，则x1，y-1，z 1/2故为（1,-1,1/2），即为（1,1,2）第17页/共51页18用固体能带理论说明什么是导体、半导体、绝缘体？2.1.3.5 Electrical property满带：充满电子的能带空带：部分充满或全空的能带价带：价电子填充的能带禁带：导带及满带之间的空隙导带第18页/共51页19导体：价带未满，或价带全满但禁带宽度为零，此时，电子能够很容易的实现价带与导带之间的跃迁。半导体：价带全满，禁带宽度在0.1-3eV之间，此时，电子可以通过吸收能量而实现跃迁。绝缘体：价带全满，禁带宽度大于5eV，此时，电子很难通过吸收能量而实现跃迁第19页/共51页20有一根长为5 m，直径为3mm的铝线，已知铝的弹性模量为70Gpa，求在200N的拉力作用下，此线的总长度。=5.002m第20页/共51页21试解释为何铝材不易生锈，而铁则较易生锈?铝在空气中可以生成致密得氧化物膜，阻止与空气得进一步接触，所以不易生锈铁在空气中生成疏松得氧化物膜，不能隔绝空气；特别是铁在潮湿得空气中能够发生电化学反应，因此加大了锈蚀，所以铁较易生锈。第21页/共51页22为什么碱式滴定管不采用玻璃活塞?玻璃的主要原料为SiO2，而SiO2为酸性氧化物，因此，容易在碱性条件下发生化学反应:SiO22NaOHNa2SiO3H2O造成活塞失灵。第22页/共51页23何种结构的材料具有高硬度？如何提高金属材料的硬度？由共价键组成的材料具有高的硬度，离子键次之。金属材料在形成固溶体或合金时可以有效地提高金属材料的硬度。第23页/共51页24热膨胀受什么因素影响？试用势能图说明热膨胀主要受到键强的影响，键强越强，热膨胀越弱。此外，组织结构也对热膨胀有影响。结构紧密的固体，膨胀系数大。第24页/共51页25第25页/共51页26Cs熔体的标准吉布斯自由能（单位为J）与温度T（单位为K）的关系为 Gm2100-6.95T，求熔点到熔点时Gm0T21006.95302.2K即29.2第26页/共51页27通过埃灵罕姆图解释为何碳在高温下可以用作金属氧化物还原剂对于该反应式从图中可以看出，其温度越高，G0的负值越大，其稳定性也就越高，即该反应中碳的还原性越强。第27页/共51页28埃灵罕姆图上大多数斜线的斜率为正，但反应C+O2=CO2的斜率为0，反应2C+O2=2CO的斜率为负，请解释原因氧化过程气体数目不变，则S0=0,(-S0)=0，斜率为零。G0与温度T关系式的斜率为-S0氧化过程气体数目增加，则S00,(-S0)0，斜率为负。第28页/共51页29吉布斯相律通常为f=c-p+2，为什么在固体材料的研究中，相律一般可表达成f=c-p+1相律式中的2表示温度和压力，但对于固体材料来说，压力的影响不大，只受温度的影响，所以相律表达为f=c-p+1。第29页/共51页30一合金的成分为90Pb-10Sn。（a）请问此合金在100、200、300时含有哪几种相？（b）在哪个温度范围内将将只有一相存在？300时，此合金含晶体和液体L200时，此合金只含有晶体100时，此合金含有晶体和在140到275时，此合金只有一相存在。第30页/共51页31固溶体合金的相图如下图所示，试根据相图确定：（a）成分为40B的合金首先凝固出来的固体成分是？（b）若首先凝固出来的固体成分含60B，合金成分为？（c）成分为70B的合金最后凝固的液体成分是？（d）合金成分为50B，凝固到某温度时液相含有40 B，固体含有80B，此时液体和固体各占多少分数？（a）80B（b）20B（c）25B（d）WL/W(C-C0)/(C0-CL)=(80%B-50%B)/(50%B-40%B)=3/1所以液体占25，固体占75第31页/共51页32黑色金属：铁、钴、锰金属及它们的合金有色金属：马氏体：奥式体：超耐热合金：除铁、钴、锰之外的金属碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体碳溶解在-Fe中形成的过饱和固溶体能在7001200高温下仍能长时间保持所需力学性能，具抗氧化、抗腐蚀能力，且能满意工作的金属材料通称超耐热合金。第32页/共51页33金属间化合物：金属固溶体：一个（或几个）金属组元的原子溶入另一个金属组元的晶格中，而仍保持另一金属组元的晶格类型的固态晶体。形成金属固溶体后，继续增大溶质金属的量，溶质析出与溶剂反应，形成一种晶格类型及性能与任意合金组元不同新相第33页/共51页34简述形状记忆合金的原理形状记忆效应源于某些特殊结构合金在特定温度下发生的马氏体奥氏体相组织结构的相互转化。当温度降低时，面心立方结构的母体奥氏体逐渐转变成体心立方或体心四方结构的马氏体，温度上升时，马氏体又会向奥氏体转变，最终恢复到原来的形状。第34页/共51页35介绍储氢合金类别，并说明其储氢、释氢化学过程储氢：一个金属原子能与两个、三个甚至更多的氢原子结合，生成稳定的金属氢化物，同时放出热量。释氢：将其稍稍加热，氢化物又会发生分解，将吸收的氢释放出来，同时吸收热量。第35页/共51页36讨论储氢合金在镍氢电池领域的工作原理充电时，金属作为阴极电解KOH水溶液时，生成的氢原子在材料表面吸附，继而扩散入电极材料表面进行氢化反应生成金属氢化物；放电时，金属氢化物作为阴极释放所吸收的氢原子并氧化为水。电极反应为：充电：M+H2O+e-MH+OH-Ni(OH)2+OH-NiOOH+H2O+e-放电：MH+OH-M+H2O+e-NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-第36页/共51页37超塑性合金一般具有怎样的结构特点？超塑性合金的组织结构基础是晶粒一般为微小等轴的晶粒。第37页/共51页38非晶态金属材料一般如何制得？它具有什么突出性能特点？结构上是热力学稳定体系吗？非晶态合金一般通过电镀、激光法及熔体旋辊急冷法制备。性能特点:（1）高强度高韧性的力学性能（2）高导磁、低铁损的软磁性能（3）耐强酸、强碱腐蚀的化学特性（4）电性能提高结构上为热力学亚稳体系第38页/共51页39一般金属材料是否为单晶态金属结构？一般金属材料为多晶态金属结构第39页/共51页40玻璃体：熔体冷却后呈坚硬无定形状态的无机物陶瓷：所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎、混炼、成形、烧结等过程而制成的各种制品p-型半导体：以空穴为载流子的半导体蒙脱土：两个四面体片夹一八面体片组成一个晶片，八面体片中，部分Mg取代Al而使层片带负电，多余电荷由层间阳离子中和。第40页/共51页41结构陶瓷:作为工程结构材料使用的陶瓷材料高岭土：四面体片与八面体片通过共用氧原子结合成一个晶片，晶片间以氢键相连，水化时基本不膨胀。介电陶瓷：具有介电性能的陶瓷，即在电场作用下带电粒子只能产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质的陶瓷。铁电陶瓷：具有铁电性能的陶瓷，即在除去外电场后仍保持部分极化状态的陶瓷 第41页/共51页42压电陶瓷：具有压电效应，能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。超导体：具有在超低温下失去电阻性质的物质。第42页/共51页43材料科学中得三大基础材料是什么？金属材料、无机非金属材料及高分子材料第43页/共51页44硅酸盐玻璃与硅酸盐陶瓷结构上有哪些区别？在结构上，硅酸盐玻璃是非晶态的，而硅酸盐陶瓷是晶态的。第44页/共51页45功能陶瓷按其功能性质不同，可以分为哪几大类？各举一例说明功能陶瓷按其功能性质不同，可分为介电陶瓷、导电陶瓷、敏感性陶瓷、光学陶瓷以及生物陶瓷。第45页/共51页46“白石墨”是指何种陶瓷？六方氮化硼陶瓷第46页/共51页47根据陶瓷概念得描述，下列哪些物质不属于陶瓷？纯石墨金刚石Si3N4GaAsGaN干冰硫磺单晶硅TiC单质第47页/共51页48热敏陶瓷按其响应性质可分为哪两类？热敏陶瓷分为热敏电容、热敏电阻及热释电材料三种第48页/共51页49第49页/共51页50第50页/共51页Chapter2 Structure of Materials51谢谢您的观看！第51页/共51页
