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材料化学复习题(含答案)【打印】


材料化学复习题: 1. 原子间的结合键共有几种?各自特点如何?

类 型

键合强弱

形成晶体的特点 无饱和性和方向性:高配位数、高熔点、高强度、高

离子键

最强

硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态 离子导电 有饱和性和方向性:低配位数、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 无饱和性和方向性:配位数高、 结构密堆、 塑性较好、 有光泽、良好的导热、导电性 有饱和性和方向性;高分子化合物形成氢键数目巨

共价键



金属键

较强

氢键



大,对其熔点及力学等性能影响大;对小分子熔点、 沸点、溶解性、黏度也有一定影响。

范德华键

最弱

无饱和性和方向性:结构密堆、高熔点、绝缘

2,计算体心立方结构和六方密堆结构的堆积系数

(1) 体心立方

a :晶格单位长度

R :原子半径
4R ? 3a

a?

4R 3

,n=2,

∴ ? bcc ?

2(4?R 3 / 3) 2(4?R 3 / 3) ? ? 0.68 a3 (4 R / 3 ) 3

(2)六方密堆 n=6
c?a 8 3 a ? 2R

?hcp=

6(4?R 3 / 3) 6(4?R 3 / 3) ? ? 0.74 1 3 8 6c( a ? a) 12 R ( R ? 3R) 2 2 3

3,已知金属镍为 A1 型结构,原子间接触距离为 249.2pm,请计算:1)Ni 立方 晶胞的参数;2)金属镍的密度;3)分别计算(100)、(110)、(111)晶 面的间距。 解:对于面心立方 A1 型: 原子间接触距离 249.2pm=0.2492nm=2R,

(1) a ?

4R 2

?

2 ? 0.2492 2

? 0.3525 nm ,

(2)金属镍的密度:

??
??

nM nM ? 3 abcNA a N A
4? M 4 ? 58.69 ? 3 a ? N A 3.516 ?10 ?8 ? 6.02 ?10 23

? 8.972g ? cm -3

(3)对于立方晶系,面间距公式为:

d hkl ?

a0 h ? k 2 ? l 2 因此有:
2

(100) 晶面间距: d100 ?

0.3525 1 ? 02 ? 02
2

=0.3525nm

(110) 晶面间距: d110 ?

0.3525 1 ? 12 ? 0 2
2

? 0.2493 nm 0.3525 3

(111) 晶面间距:

d111 ?

0.3525 1 ?1 ?1
2 2 2

?

? 0.2035 nm

4,试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁时出现的体积变化。 在转变温度下, 体心立方铁的晶格参数是 0.2863nm,而面心立方铁的点阵参数是 0.359lnm。 解: 体心立方: V1=a3 = (0.2863nm)3 = 0.02347 nm3 面心立方: V2= a = (0.3591nm) = 0.04630 nm
3 3 3

Δ V=V2-V1=0.02284nm3, 因此体积增大 0.02284 nm3

5,固溶体与(液体)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。 6,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:

?r ?

r1 ? r2 ? 100 % ,Δ r < 15 %, 形成连续固溶体;15% < Δ r < 30%, 形 r1

成有限固溶体;Δ r > 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。

7,试求下图中所示面的密勒指数

A 面:在 x、y、z 上的截距分别为 x=0, y=∞, z=∞, 故须平移,向 x 方向移动 一晶格参数, 此时, x=1, y=∞, z=∞, 其倒数: 1, 0, 0, 故为 A 晶面指数为 (100)

B面:x ? 2, y ? 2, z ? 1, 故为(112)
(倒数:1/2,-1/2,1,→互质整数:1,-1,2)

3 C面:x ? 1, y ? 1, z ? ? , 故为(334) 4

(倒数:1,1,-4/3,→互质整数:3,3,-4)

8,用固体能带理论说明什么是导体,半导体,绝缘体? 答:固体的导电性能由其能带结构决定。对一价金属(如 Na),价带是未满带, 故能导电。对二价金属(如 Mg),价带是满带,但禁带宽度为零,价带与较高

的空带相交叠,满带中的电子能占据空带,因而也能导电。绝缘体和半导体的能 带结构相似, 价带为满带, 价带与空带间存在禁带。 禁带宽度较小时 (0.1—3eV) 呈现半导体性质,禁带宽度较大(>5eV)则为绝缘体。 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 (其中,空带和价带是 导带) 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

9, 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。

10,试解释为何铝材不易生锈,而铁则较易生锈? 答:锈蚀机理不同,前者为化学腐蚀,后者为电化学腐蚀 铝是一种较活泼的金属, 但因为在空气中能很快生成致密的氧化铝薄膜,所以在 空气中是非常稳定的。铁与空气中的水蒸气,酸性气体接触,与自身的氧化物之 间形成了腐蚀电池,遭到了电化学腐蚀,所以容易生锈。

11,为什么碱式滴定管不采用玻璃活塞? 答:因为普通的无机玻璃主要含二氧化硅,二氧化硅是一种酸性的氧化物,在 碱液中将会被溶解或侵蚀,其反应为:SiO2+2NaOH→Na2SiO3+H2O

12, Cs 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 Δ Gom, Cs=2100-6.95T, 求 Cs 的熔点。

解:根据热力学定律,当 Δ G<0 时,反应可以自发进行,因此Δ G=0 时对应的 平衡反应(即 Cs 由固相转变为液相的反应)的温度即为 Cs 的熔点。由 Δ Gom
Cs

=2100-6.95T=0,可得 T=302K,所以 Cs 的熔点为 302K。

13,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? 答:在固体材料的研究中,压力对固相反应的影响很小,通常可以忽略,所以非 成分的变量只有温度这一项,所以相律一般可表达成 f=c-p+1。

14,固溶体合金的相图如下图所示,试根据相图确定: a) 成分为 40%B 的合金首先凝固出来的固体成分是什么? b) 若首先凝固出来的固体成分含 60%B,合金的成分是什么? c) 成分为 70%B 的合金最后凝固的液体成分是什么? d) 合金成为为 50%B,凝固到某温度时液相含有 40%B,固体含有 80%B,此 时液体和固体各占多少分数?

答:(a)成分为 40%B 的合金对应的位置为过 a 点的垂直线,当其冷却至 a 点时,开始凝固,凝固出来的固体为固溶体α ,其成分为过 a 点作水平线与固 相线的交点(a’),所对应的成分为 80%B,20%A (b) 若首先凝固出来的固体成分为 60%B, 即与固相线的交点为 b 点, 过 b 点 作水平线得到与液相线的交点 b’,b’点所对应的成分即为合金的成分,过 b’ 点作垂直线可得合金的成分为 16%B,84%A (c)成分为 70%B 的合金最后凝固的固体成分为与固相线的交点(c),液体 成分为与液相线的交点(c’),所以,液体成分为 27%B,73%A (d) 合金成分为 50%B, 凝固到某温度时液相含 40%B, 即与液相线的交点为 a, 固相含 80%,即与固相线的交点为 a’,过 50%B 作垂直线可得水平线 aoa’, 此时液体和固体的质量比为 wL/ws=oa’ /ao=30/10=3/1。 所以, 此时液体占 75%, 固体占 25%。

15:名词解释: 弗仑克尔缺陷(Frenkel defect)

肖特基缺陷(Schottky defect) 晶面指数和晶向指数

16,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。

17, 单晶硅棒和厚度约 1μ m 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 在坩埚中, 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 1μ m 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。

18,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,如果要制备纳米厚度的薄膜,应采用气相沉 积法比较好。

19, CVD 法沉积 SiO2 可通过哪些反应实现?写出相关化学方程式 答:CVD 法沉积 SiO2 可通过以下几种反应来实现。 1)烷氧化物的热分解:Si (OC2H5)4 → SiO2 + C2H4 + H2O 2)硅化合物的氧化反应:SiCl4 (g) + O2 (g) → SiO2 (s) + 2Cl SiH4 (g) + O2 (g) → SiO2 (s) + 2H
2 2

(g)

(g)

SiCl4 (g) + 2CO2 + 2H 2(g) → SiO2 (s) + 4HCl (g) + 2CO (g) 3)硅化合物的水解反应:SiCl4 (g) + 2H2O (g) → SiO2 (s) + 4HCl (g)

20. 溶胶-凝胶法制备纤维材料,应采用怎样的条件较合适?请解释。 答:溶胶-凝胶法制备纤维材料,应在拉纤阶段控制合适的粘度,选择合适的催 化剂, 选择合适的成纤方法。 因为拉纤阶段溶胶的粘度会影响纤维的直径和纤维 的质量,粘度大时得到的纤维直径较大,粘度小时得到的纤维直径较小。其次, 因为是要得到纤维材料, 所以缩聚的中间体应该是线形分子链,所以应使用酸催 化,因为碱催化会得到三维网络结构的中间体。此外,如果要得到长纤维的话, 可以用拉纤法,而要得到短纤维的话,应采用离心喷出法。


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