《无机材料》教学大纲

《无机材料》教学大纲
一、课程基本信息
课程编码：0801026B
中文名称：无机材料
英文名称：Inorganic Materials
课程类别：专业拓展课
总学时：32学时（理论23学时+实验9学时）
总学分：2
适用专业：化学和应用化学
先修课程：高等数学、结构化学、无机化学
开课系部：应用化学系
二、课程的性质与任务
《无机材料》课程是化学本科专业的一门专业选修课。

通过本课程的学习，可以使学生了解无机材料的组成-结构-性能之间的相互关系和变化规律；掌握无机材料化学基本理论，培养学生具备正确的学习和研究方法，提高分析问题和解决问题的能力，从而提高今后从事化学教学工作的能力。

三、课程教学基本要求
(一) 理论教学：
1．使学生在无机化学知识的基础上，进一步学习无机材料基础理论、基本知识，掌握无机材料的一般规律和基本应用，为以后的实际研究打基础；
2．要注意培养学生分析问题、解决问题的能力，逐渐完成从大一到大三在学习方式上的过渡，使学生在听课、查阅参考书、自学等方面都有一个突跃；
四、课程教学内容及要求
第一章晶体几何基础(6学时)
【教学目标与要求】
1、理解晶体的基本性质、晶胞与空间点阵的概念与区别；
2、晶胞和空间群等结晶学基本知识；
3、熟悉晶体的宏观和微观对称与分类；
4、晶体定向和晶面指数、了解各晶系晶体定向法则与结晶符号的表示方法；
【教学重点与难点】
1、教学重点：结晶学基础，晶体结构的描述方法，晶体的宏观和微观对称与分类；
2、教学难点：晶体定向与晶面指数的表示方法；
【教学内容】
第一节晶体的概述
晶体的定义；晶体内部质点周期性重复排列的表示—空间格子；晶体与非晶体在宏观性质上的区别（自限性，均一性和异向性，对称性，最小内能和最大稳定性）
第二节晶体的对称与分类
对称的概念；对称操作及对称要素（对称面，对称中心，对称轴，旋转反伸轴和螺旋轴）；对称要素的组合；对称型；晶体的对称分类；对称型的国际符号
第三节晶体的理想形态
单形；聚形
第四节晶体定向与晶面指数
晶体的定向；晶面指数；晶向符号和晶面符号的关系；晶面间距与晶面指数的关系
第五节晶体结构的基本特征
第六节空间群
空间群的概念；空间群的国际符号
第二章晶体化学基础(6学时)
【教学目标与要求】
1、复习巩固结晶学基本知识；
2、研究晶体结构中质点的几何关系、质点间的物理化学作用，并能预测判断晶体的结构和
性质。

【教学重点与难点】
1、教学重点：球体的紧密堆积原理
2、教学难点：鲍林规则
【教学内容】
第一节晶体结构的键合
离子键；共价键；范德华力；氢键；金属键；极性共价键；半金属共价键
第二节球体的紧密堆积原理
等径球体紧密堆积；不等径球体紧密堆积；
第三节影响离子晶体结构的因素
原子半径和离子半径；配位数和配位多面体；离子的极化和电负性；结晶化学定律
第四节同质多晶
第五节鲍林规则
配位体规则；静电价规则；配位多面体共顶、共棱、共面规则；节约规则
第六节晶体场理论和配位场理论
晶体场理论；d轨道在晶体场中的能级分裂；晶体场稳定化能；八面体择位能；姜-泰勒效应；配位场理论基础
第三章晶体结构(6学时)
【教学目标与要求】
1、了解无机材料的分类，特点，组成、结构、性能、工艺以及其与晶体内部结构的关系；
2、晶体可分为：金属晶体、离子晶体、共价晶体、原子晶体、分子晶体；
3、典型无机化合物的晶体结构
【教学重点与难点】
1、教学重点：无机材料的分类，特点，组成、结构、性能、工艺；
2、教学难点：硅酸盐晶体结构的多样性，各种硅酸盐晶体的结构类型；
【教学内容】
第一节原子晶体、分子晶体和金属晶体结构的概述
原子晶体结构；分子晶体结构；金属晶体（A1结构，A2结构，A3结构，A4结构）
第二节无机材料的特点
面心立方紧密堆积（NaCl型结构、闪锌矿β-ZnS型结构、萤石CaF2型结构、钙钛矿CaTiO3型结构、尖晶石MgAl2O4型结构）；六方紧密堆积系列（纤锌矿α-ZnS型结构、金红石TiO2型结构、碘化镉CdI2型结构、刚玉α-Al2O3型结构）；其他晶体结构（石墨结构、金刚石结构）
第三节硅酸盐晶体结构
岛状结构；组群状结构；链状结构；层状结构（高岭石结构、蒙脱石结构、滑石结构、伊利石结构）；架状结构（石英晶体结构、长石晶体结构）
第四章晶体结构缺陷（5学时）
【教学目标与要求】
1、了解点缺陷对晶体性能的影响；
2、掌握点缺陷的类型、缺陷化学反应的表示法和热缺陷浓度的计算；
3、掌握位错的分类，刃位错和螺位错的特点与区别；
4、了解几种面缺陷的类型。

【教学重点与难点】
1、教学重点：晶体结构中各种缺陷及缺陷反应
2、教学难点：缺陷方程的应用
【教学内容】
第一节晶体结构缺陷的类型：点缺陷；线缺陷；面缺陷
根据其对理想晶格偏离的几何位置及成分划分为：间隙原子、空位、杂志原子
根据产生缺陷的原因分为：热缺陷、杂质缺陷；非化学计量结构缺陷
第二节缺陷化学反应表示法
克罗格-明克缺陷符号（空位、间隙原子、置换原子、自由电子及空穴、带点缺陷）；
缺陷反应方程式书写规则（位置关系；位置增殖、质量平衡、电中性、表面位置）
第三节热缺陷浓度的计算
弗伦克尔缺陷浓度计算；肖特基缺陷浓度计算
第四节非化学计量化合物
由于负离子缺位，使得金属离子过剩；由于间隙正离子，使得金属离子过剩；由于存在间隙负离子，使得负离子过剩；由于正离子空位存在，引起负离子过剩
第五节位错
位错的概念；位错的基本类型和特征（刃型位错、螺型位错；混合型位错）
第六节面缺陷
外表面；晶界；相界面
(二)实验教学（9学时）：
【实验的目的与要求】
通过实验了解材料组织结构与性能之间的关系，掌握基本的材料组织结构、性能微观分析方法。

【实验内容】
一、实验项目名称：水泥中二氧化硅含量的测定(3学时)
1、实验目的：
1.了解水泥的一般性能和应用。

2.学习水泥的制备方法。

3.了解NH4Cl法测定二氧化硅含量的原理和用NH4Cl法测定水泥熟料中二氧化硅的方
法。

2、实验仪器及药品
马弗炉；烧杯（50ml）；电子天平；表面皿；抽滤瓶；瓷坩埚
NH4Cl（固体）；浓盐酸；浓硝酸；硝酸银（溶液）
3、实验过程
SiO2的测定：
1) 准确称取水泥试样0.4g，置于干燥的50mL烧杯中，加入2.5~3g固体NH4Cl (7 ~ 8倍试样的量)，用玻璃棒混匀，滴加浓HCl至试样全部润湿（一般约2mL），并滴定浓HNO3 2~3滴，搅匀。

2) 盖上表面皿，置于沸水浴上，加热10min至近干，取下，加热水约10mL，搅动，以溶解可溶性盐类。

3) 过滤,用热水洗涤烧杯和滤纸，直到滤液中无Cl 为止（以AgNO3检查）弃去滤液。

4) 将沉淀连同滤纸，放入“已恒重”的瓷坩锅中，低温炭化并灰化后，于950ºC约烧30min。

取下，置于干燥器中冷却至室温，称重。

“再灼烧”冷至室温，再称重，直至恒温。

计算试样中SiO2的含量。

4、数据记录与处理SiO2含量测定
5、思考题
1、试样分解后加热蒸发的目的是什么？操作中应注意什么？
2、沉淀洗涤需注意什么？
3、沉淀在高温灼烧前，为什么需经过干燥炭化？
二、实验项目名称：多晶衍射法测定晶体结构-ZnO/MgO复合材料的制备(3学时)
1、实验目的：
了解多晶体衍射法测定晶体结构的基本原理，通过测定晶体结构，了解简单的物质结
构概念。

2、实验仪器和试剂：
1. 仪器: X射线衍射仪、研钵、样品板、马弗炉、分析天平、干燥箱等。

2. 试剂: ZnO、MgO
3、实验内容：
（1）样品制备方法：
准确称取一定比例的ZnO和MgO，放入干净的研钵中，研磨30分钟，随后放入马弗炉中600℃煅烧30min，冷却。

（2）按照上述方法分别制备下列四种样品：
纯的Zn 称量2.5克
ZnO：MgOO=0.9:0.1 计算应该加入的MgO的质量应为0.138g
ZnO：MgO=0.8:0.2 计算应该加入的MgO的质量应为0.31g
ZnO：MgO=0.7:0.3 计算应该加入的MgO的质量应为0.535g
（3）材料制备完毕，分析结果：对比颜色有无改变（注：温度会引起肖特基缺陷或者弗仑克尔缺陷）
4、实验结果与讨论
1. 加热温度对材料性能的影响
2. 配料比对材料性能的影响
三、实验项目名称：制备合成无机耐高温硅酸盐涂料(3学时)
实验目的
1.了解无机耐高温涂料的一般性能和应用。

2.学习无机硅酸盐耐高温涂料的制备方法。

3.掌握以硅酸钠和二氧化硅为成膜物质的无机硅酸盐耐高温涂料制备方法。

2、实验仪器和试剂
1.仪器：马福炉、托盘天平、研钵、烧杯(100mL)、量筒(10mL) 约5cm×5cm钢片或铁片( 用作涂料底材) 。

2.试剂：Na2SiO3·9H2O、(A.R.) SiO2、( A.R.)TiO2 (C.P.)。

3、实验内容
1. 底材的表面处理
用砂纸打磨事先准备好的底材表面或用酸处理底材表面以除去污物和氧化膜。

2.样品的制备
取1gNa2SiO3·9H2O、0.6gSiO2、0.8gTiO2固体于研钵中, 混匀, 研磨后将其置于100 mL 的烧杯中，加入0.5 mL水, 用玻璃棒搅拌, 混匀, 得白色糊状物。

3. 样品的刮涂
用刮涂法把白色糊状物均匀地涂于处理好的底材表面上,涂抹要平整, 涂层要致密( 若涂抹不平整, 可在涂抹时蘸取少许水, 这样涂抹可得到较平整的涂层) 。

4. 样品的前处理
待涂层晾干后, 将其放置于升温至80℃的马福炉中, 烘烤20 min, 取出后至少在室温下放置5 min。

5.样品的烧制
将马福炉温度升至300℃, 再把上一步制好的涂层放入其中, 并在300℃下烘烤20 min, 取出即可得到白色的耐高温涂层。

4、实验结果与讨论
1. 温度对涂层性能的影响
2. 涂层的附着力测试（划格法进行）
3. 涂层的耐酸耐碱性能实验
4. 配料比对涂层性能的影响
5. 底材的影响
5、思考题
1.无机耐高温涂料与相应的有机涂料比有哪些优缺点?
2.在涂料的固化过程中, 哪些因素对涂料的附着力性能影响较大?
五、学时分配
六、课内实验与学时分配
《无机材料》课程实验教学一览表
七、教学策略与方法建议
本课程的教学对象为化学本科专业三年级学生，需要学生有较好的基础无机化学、高等数学、结构化学基础。

本课程旨在拓宽学生思路，将最新的科学研究成果展示给学员，使其无机化学学知识更加完善和系统。

在教学方式上主要以课堂教学为主，并辅以图片、录像、讨论等方式安排教学。

八、课程考核方式与成绩评定建议
本课程的考核方法：平时成绩：50％；考勤；作业、笔记、课内实验
期末考试成绩：50％；形式：笔试
八、使用教材及主要教学参考书
教材：
胡志强编，《无机材料科学基础》（第二版），北京：化学工业出版社，2011
参考书：
周亚栋编，《无机材料物理化学》，武汉：武汉理工大学出版社，1994
潘群雄等编，《无机材料科学基础》，北京：化学工业出版社，2007
宋晓岚等编，《无机材料科学基础》，北京：化学工业出版社，2006
胡志强编，《无机材料科学基础教程》，北京：化学工业出版社，2004
张联盟等编，《材料科学基础》，武汉：武汉理工大学出版社，2004
制定：应用化学系教研室：无机化学教研室执笔人：秦英恋审订人：秦英恋。