材料化学第二版(曾兆华版)课后答案解析
曾兆华 杨建文编著《材料化学》第二版2015年最新版随堂作业集锦及答案
材料化学随堂作业1.材料化学的特点是什么？（5分）什么是材料化学？其主要特点是什么？材料化学是与材料相关的化学学科的一个分支，是与材料的结构、性质、制备及应用相关的化学。
材料化学的主要特点是跨学科性和实践性2.什么是材料？材料与一般物质及化学品有何根本区别？（5分）（1）材料是具有使其能够用于机械、结构、设备和产品的性质的物质。
具体来说，材料首先是一种物质，这种物质具有一定的性能或功能，从而为人们所使用。
（2）材料与一般物质及化学品的根本区别：后者在使用过程中通常被消耗并转化成别的物质，而材料则一般可重复、持续使用，除了正常损耗，它不会不可逆的转变成别的物质。
3.什么是结构材料？什么是功能材料？什么是复合材料？（5分）（1）结构材料是以力学性能为基础，以制造受力构件所用的材料。
主要用作产品、设备、工程等的结构部件，因而关注其强度。
韧性、抗疲劳等力学性质（2）功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能互相转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。
（3）复合材料是由两种或多种不同材料组合而成的材料。
通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。
各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。
4.材料的性能主要包括哪些方面？（第3章）5.简述物理气相沉积法和化学气相沉积法的异同点。
（10分）6.简述聚苯乙烯型阳离子和阴离子交换树脂的制备原理和交换原理。
（10分）7.写出正硅酸四乙酯经溶胶－凝胶法制纳米粉体的反应式，以此为例说明溶胶－凝胶法制备纳米材料的原理。
（10分）正硅酸四乙酯经溶胶－凝胶法制纳米粉体的反应式?→?Si（OC2H5）+xH2O?水水Si（OH）(OC2H5)4-x+xC2H5OH(1)4X14-x?→?C2H5OC2H5Si（OH）(OC2H5)4-x?缩合SiO2+H2O+X22原理：正硅酸四乙酯作为前躯体溶于溶剂水中，形成均匀的溶液，并进行（1）（2）的水水、缩合反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝聚，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。
材料化学第二版（曾兆华版）课后答案解析
材料化学第⼆版（曾兆华版）课后答案解析第⼀章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？（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=410. 单质Mn有⼀种同素异构体为⽴⽅结构，其晶胞参数为0.6326nm，密度= 7.26 g cm-3，原⼦半径r = 0.112nm，计算Mn晶胞中有⼏个原⼦，其堆积系数为多少？74.)3(3812)3/4(6)2321(6)3/4(6＝33hcp==R a a c RππξR a a R 2 4 2 4== 74 . ) 2 / 4 ( )3 / 4 (4 )3 / 4 (433fcc==RRaRππξ11. 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。
材料化学(第2版)作者曾兆华、杨建文编著第二章课件
吸引能（attractive energy，EA）：源于原子核与电子云间的静电引力
离子：m=1分子：m=6
排斥能（repulsive energy，ER）：源于两原子核之间以及两原子的电子云之间相互排斥
惰性气体离子核
外层电子构型
n
惰性气体离子核
8/23/2016 1:52:21 PM
46
形成正负离子所需能量
离子键形成过程中的总势能：
在平衡位置的势能E0
Chapter2 Structure of Materials
46
（2）键能计算
例：NaCl的键能计算
Chapter2 Structure of Materials
47
离子形成能
吸引能EA,0
最强
无方向性键、高配位数、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
相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力
强
有方向性键、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
金属键
自由电子气与正离子实之间的库仑引力
较强
无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性
0.005
氯(Cl)
314
氦(He)
0.003
10
Chapter2 Structure of Materials
10
周期表中各元素在室温下的状态
Chapter2 Structure of Materials
11
第一电离能（First Ionization Energy, I1）
材料化学课后题答案
试述影响置换型固溶体的固溶度的因素
（1）原子或离子尺寸的影响
当 固溶体；
r
r
r1 r2 0.15 r1
时，溶质与溶剂之间可以形成连续
时，溶质与溶剂之间只能形成
Hume-Rothery经验规则
当 有限型固溶体；
r r1 r2 30% r1
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。
25
26
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 Gm＝2100-6.95T， 求熔点
到熔点时Gm＝0
2100 T＝ ＝302.2K 6.95
（b）20％B （c）25％B
（d）WL/Wα＝(Cα-C0)/(C0-CL) =(80%B-50%B)/(50%B-40%B) =3/1 所以液体占25％，固体占75％
32
黑色金属：铁、钴、锰金属及它们的合金 有色金属：除铁、钴、锰之外的金属 奥式体： 碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体
马氏体：
x＝1，y＝-1，z＝ 1/2 故为（1,-1, 1/2 ），即为（1,1,2）
－
18
用固体能带理论说明什么是导体、半导体、 绝缘体？
满带：充满电子的能带
空带：部分充满或全空的能带
2.1.3.5 Electrical property
价带：价电子填充的能带
导带
禁带：导带及满带之间的空隙
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。
材料化学（曾兆华）
材料化学（曾兆华）内容推荐本书内容结合“材料化学”课程的教学大纲，并集编者多年的教学体会和国内外同类教材及相关专业述著的精华。
第2～5章涉及材料的结构、性能、制备等材料化学的基本内容；第6～10章则以四大类材料（金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料）为主线，对不同种类的材料进行介绍，其中涉及各种现代先进材料如高性能金属材料、功能陶瓷、电子信息材料、生物医用材料、航空航天材料、能源材料、感光材料、纳米材料等，叙述各种材料的性能和行为与其成分及内部组织结构之间的关系。
本书可作为高等学校材料化学课程的教材，也可作为材料科学工作者的参考书。
本书内容结合“材料化学”课程的教学大纲，并集编者多年的教学体会和国内外同类教材及相关专业述著的精华。
第2～5章涉及材料的结构、性能、制备等材料化学的基本内容；第6～10章则以四大类材料（金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料）为主线，对不同种类的材料进行介绍，其中涉及各种现代先进材料如高性能金属材料、功能陶瓷、电子信息材料、生物医用材料、航空航天材料、能源材料、感光材料、纳米材料等，叙述各种材料的性能和行为与其成分及内部组织结构之间的关系。
本书可作为高等学校材料化学课程的教材，也可作为材料科学工作者的参考书。
目录第1章绪论1.1 材料与化学1.2 材料的分类1.3 材料化学的特点1.4 材料化学在各个领域的应用1.5 材料化学的主要内容参考文献思考题第2章材料的结构2.1 元素和化学键2.2 晶体学基本概念2.3 晶体材料的结构2.4 晶体缺陷2.5 固溶体参考文献第1章绪论1.1 材料与化学1.2 材料的分类1.3 材料化学的特点1.4 材料化学在各个领域的应用1.5 材料化学的主要内容参考文献思考题第2章材料的结构2.1 元素和化学键2.2 晶体学基本概念2.3 晶体材料的结构2.4 晶体缺陷2.5 固溶体参考文献思考题第3章材料的性能3.1 化学性能3.2 力学性能3.3 热性能3.4 电性能3.5 磁性3.6 光学性能参考文献思考题第4章材料化学热力学4.1 化学热力学基础及应用4.2 埃灵罕姆图及其应用4.3 相平衡与相图参考文献思考题第5章材料的制备5.1 晶体生长技术5.2 气相沉积法5.3 溶胶凝胶法5.4 液相沉淀法5.5 固相反应5.6 插层法和反插层法5.7 自蔓延高温合成法5.8 非晶材料的制备参考文献思考题第6章金属材料6.1 金属材料结构与性能6.2 超耐热合金6.3 超低温合金6.4 超塑合金6.5 形状记忆合金6.6 储氢合金6.7 非晶态金属材料参考文献思考题第7章无机非金属材料7.1 无机非金属材料的分类及特点7.2 水泥与玻璃7.3 陶瓷7.4 半导体材料7.5 超导材料参考文献思考题第8章高分子材料8.1 高分子结构与性能8.2 高分子合成8.3 聚合物光子材料8.4 电功能高分子8.5 化学功能高分子参考文献思考题第9章高性能复合材料9.1 复合材料概述9.2 复合材料的命名与分类9.3 复合材料的基体材料9.4 复合材料的增强相9.5 复合材料主要性能与制造参考文献思考题第10章纳米材料10.1 纳米材料的种类10.2 纳米材料的特性10.3 纳米材料的制备10.4 纳米材料的应用参考文献。
材料化学课后习习题答案
材料化学课后习习题答案欢迎阅读材料化学课后习题答案P 42 ：四(1)(2)(3)P 69 ：⼆、三(1)(2)P 90 : 5S*(完p T3.偏摩尔吉布斯函数⼜称化学势，定义为 ,,CB B B T p n G G n µ== ? 。
4.理想稀溶液存在依数性质，即溶剂的蒸⽓压下降、凝固点降低、沸点升⾼、渗透压的量值均与溶液中溶质的数量有关，⽽与溶质的种类⽆关。
5.⼈们将存在于两相间厚度为⼏个分⼦⼤⼩的薄层称为界⾯层，简称界⾯，有液-⽓、固-⽓、固-液、液-液、固-固界⾯，通常把固-⽓界⾯、液-⽓界⾯称为表⾯。
6.表⾯张⼒⼀般随温度和压⼒的增加⽽降低，且σ⾦属键 >σ离⼦键 >σ极性共价键 >σ⾮极性共价键。
7.按照氧化态、还原态物质的状态不同，⼀般将电极分成第⼀类电极（⾦属电极、⽓体电极）、第⼆类电极（⾦属-难溶盐电极）、氧化还原电极三类。
8.相律是描述相平衡系统中⾃由度、组分数、相数之间关系的法则。
其有多种形式，其中最基本的是吉布斯相律，其通式为f =c -p +2 。
⼆．名词解释1.拉乌尔定律：⽓液平衡时稀溶液中溶剂A 在⽓相中的蒸⽓压p A 等于同⼀温度下该纯溶剂的饱和蒸⽓压p A *与溶液中溶剂的摩尔分数x A 的乘积，该定律称为拉乌尔定律。
2.亨利定律：在⼀定温度下，稀溶液中易挥发溶质B 在平衡⽓相中的分压p B 与其在平衡液相中的摩尔分数x B 成正⽐，该定律称为亨利定律。
3.基元反应：化学反应并⾮都是由反应物直接⽣成⽣成物，⽽是分若⼲真实步骤进⾏的，这些步骤称为基元反应。
答：先将样品加热成液态，然后另其缓慢⽽均匀地冷却，记录冷却过程中系统在不同时刻的温度数据，以温度为纵坐标，时间为横坐标，绘制温度-时间曲线，即冷却曲线（或称步冷曲线）。
由若⼲条组成不同的冷却曲线可绘制出相图。
四．计算题1.计算压⼒为100kPa ，298K 及1400K 时如下反应CaCO 3(s)=CaO(s)+CO 2(g)的ΔrGm Θ，判断在此两温度下反应的⾃发性，估算该反应可以⾃发进⾏的最低温度。
材料化学第二章习题参考答案1
第二章参考答案1.原子间的结合键共有几种？各自特点如何？2.为什么可将金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题?答:金属晶体中金属原子之间形成的金属键即无饱和性又无方向性, 其离域电子为所有原子共有,自由流动,因此整个金属单质可看成是同种元素金属正离子周期性排列而成,这些正离子的最外层电子结构都是全充满或半充满状态,电子分布基本上是球形对称,由于同种元素的原子半径都相等,因此可看成是等径圆球。
又因金属键无饱和性和方向性, 为使体系能量最低，金属原子在组成晶体时总是趋向形成密堆积结构,其特点是堆积密度大,配位数高,因此金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题.3.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a 34R = 34R a =，n=2, ∴68.0)3/4()3/4(2)3/4(23333===R R a R bccππζ (2)六方密堆 n=64. 试确定简单立方、体心立方和面心立方结构中原子半径和点阵参数之间的关系。
解：简单立方、体心立方和面心立方结构均属立方晶系，点阵参数或晶格参数关系为90,=====γβαc b a ，因此只求出a 值即可。
对于（1）fcc(面心立方)有a R 24=, 24R a =， 90,=====γβαc b a(2) bcc 体心立方有：a 34R = 34R a =； 90,=====γβαc b a(3) 简单立方有：R a 2=， 90,=====γβαc b a74.0)3(3812)3/4(6)2321(6)3/4(633hcp =⋅=⋅R R R R a a c R ππξ＝R a a c 238==5. 金属铷为A2型结构，Rb 的原子半径为0.2468 nm ，密度为1.53g·cm-3，试求：晶格参数a 和Rb 的相对原子质量。
解：AabcN nM=ρ 其中, ρ为密度, c b a 、、为晶格常数, 晶胞体积abc V =，N A 为阿伏加德罗常数6.022×1023 mol -1，M 为原子量或分子量，n 为晶胞中分子个数，对于金属则上述公式中的M 为金属原子的原子量，n 为晶胞中原子的个数。
材料化学部分课后习题答案
（说明：这个答案是我和何姗自己找的，错的地方大家记得及时更正哦。
）第二章2.1 扩散常常是固相反应的决速步骤，请说明：1) 在用MgO 和32O Al 为反应物制备尖晶石42O MgAl 时，应该采用哪些方法加快固相反应进行？2) 在利用固相反应制备氧化物陶瓷材料时，人们常常先利用溶胶-凝胶或共沉淀法得到前体物，再于高温下反应制备所需产物，请说明原因。
3) “软化学合成”是近些年在固体化学和材料化学制备中广泛使用的方法，请说明“软化学”合成的主要含义，及其在固体化学和材料化学中所起的作用和意义。
答：1. 详见P6A.加大反应固体原料的表面积及各种原料颗粒之间的接触面积；B.扩大产物相的成核速率C.扩大离子通过各种物相特别是产物物相的扩散速率。
2. 详见P7最后一段P8 2.2节一二段固相反应中反应物颗粒较大，为了使扩散反应能够进行，就得使得反应温度很高，并且机械的方法混合原料很难混合均匀。
共沉淀法便是使得反应原料在高温反映前就已经达到原子水平的混合，可大大的加快反应速度；由于制备很多材料时，它们的组分之间不能形成固溶的共沉淀体系，为了克服这个限制，发展了溶胶-凝胶法，这个方法可以使反应物在原子水平上达到均匀的混合，并且使用范围广。
3. P22“软化学”即就是研究在温和的反应条件下，缓慢的反应进程中，采取迂回步骤以制备有关材料的化学领域。
2.2 请解释为什么在大多数情况下固体间的反应很慢，怎样才能加快反应速率？答：P6以MgO 和32O Al 反应生成42O MgAl 为例，反应的第一步是生成42O MgAl 晶核，其晶核的生长是比较困难的，+2Mg 和+3Al 的扩散速率是反应速率的决速步，因为扩散速率很慢，所以反应速率很慢，加快反应速率的方法见2.1（1）。
第七章7.1 一种晶体具有中心对称，它是否具有以下性质：介电、铁电、热释电、压电？答：一个晶体具有中心对称，它具有介电性质，不具有铁电，热释电，压电性质。
材料化学课后习题问题详解
材料化学课后习题答案P42：四(1)(2)(3)P69：二、三(1)(2)P90 : 5P133:二、三(1)(2)P199:一、二P222:二、三(1)P236:一、二专业：应用化学14-1学号：20142008 ：丁大林第二章 化学基础知识一．填空题1.热力学第三定律的具体表述为 纯物质完美晶体在0 K 时的熵值为零 ，数学表达式为S*(完美晶体，0 K)=0 J ⋅K -1 。
2.麦克斯韦关系式为 pS T V p S ⎛⎫∂∂⎛⎫= ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ 、 S V T p V S ∂∂⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ 、T V S p V T ∂∂⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ 、p TS V p T ⎛⎫∂∂⎛⎫=- ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ 。
3.偏摩尔吉布斯函数又称化学势，定义为 ,,CB B B T p n G G n μ⎛⎫∂== ⎪∂⎝⎭ 。
4.理想稀溶液存在依数性质，即溶剂的蒸气压下降 、凝固点降低 、沸点升高 、渗透压的量值均与溶液中溶质的数量有关，而与溶质的种类无关。
5.人们将存在于两相间厚度为几个分子大小的薄层称为界面层，简称界面，有液-气、固-气、固-液、液-液、固-固界面，通常把固-气界面、 液-气界面称为表面。
6.表面力一般随温度和压力的增加而降低，且σ金属键 >σ离子键 >σ极性共价键 >σ非极性共价键。
7.按照氧化态、还原态物质的状态不同，一般将电极分成第一类电极（金属电极、气体电极） 、第二类电极（金属-难溶盐电极） 、氧化还原电极 三类。
8.相律是描述相平衡系统中 自由度 、组分数 、相数 之间关系的法则。
其有多种形式，其中最基本的是吉布斯相律，其通式为 f =c -p +2 。
二．名词解释1.拉乌尔定律：气液平衡时稀溶液中溶剂A 在气相中的蒸气压p A 等于同一温度下该纯溶剂的饱和蒸气压p A *与溶液中溶剂的摩尔分数x A 的乘积，该定律称为拉乌尔定律。
大学化学第二版部分习题参考答案
lgKө = - △rGmө/ 2.303RT = -（141.36）/（2.303×8.314×10-3×1573.15） = - 4.69
(3) T=1500K时：
根据 lgKө = -ΔrGmө(T) 进行计算。 2.303RT
ΔrGmө(1500K) ≈ΔrHmө(298.15K) -T·ΔrSmө(298.15K) = -500.08 - 1500×(-283.84)×10-3 = -74.32kJ·mol-1
大学化学第二版部分习题参考答案
的水溶液, 逐步加入0.100mol·dm-3 HCl 溶液, 试计算:
(1) (2)
当加入10.00cm3 当加入20.00cm3
HCl后, HCl后,
混合液的pH; 混合液的pH;
lgKө =
-ΔrGmө=(1500K)
- (-74.32)
=2.588
2.303RT
2.303×8.314×10-3×1500
∴ Kө = 102.588 = 3.87×102
大学化学第二版部分习题参考答案
【P33: 第5题】解题思路
解: 查附录4可知：
CuO(s) +CO(g)＝Cu(s) +CO2(g)
大学化学第二版部分习题参考答案
第一章部分习题参考答案
[P33: 6题] 解题思路
解: 查附录4中有关数据如下：
ΔfHmө (298.15K)/( kJ·mol-1) Smө (298.15K)/( J·mol-1·K-1) ΔfGmө (298.15K)/( kJ·mol-1)
材料化学第二章习题参考答案1
第二章参考答案1.原子间的结合键共有几种？各自特点如何？2.为什么可将金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题?答:金属晶体中金属原子之间形成的金属键即无饱和性又无方向性, 其离域电子为所有原子共有,自由流动,因此整个金属单质可看成是同种元素金属正离子周期性排列而成,这些正离子的最外层电子结构都是全充满或半充满状态,电子分布基本上是球形对称,由于同种元素的原子半径都相等,因此可看成是等径圆球。
又因金属键无饱和性和方向性, 为使体系能量最低，金属原子在组成晶体时总是趋向形成密堆积结构,其特点是堆积密度大,配位数高,因此金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题.3.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a 34R = 34R a =，n=2, ∴68.0)3/4()3/4(2)3/4(23333===R R a R bccππζ (2)六方密堆n=64. 试确定简单立方、体心立方和面心立方结构中原子半径和点阵参数之间的关系。
解：简单立方、体心立方和面心立方结构均属立方晶系，点阵参数或晶格参数关系为90,=====γβαc b a ，因此只求出a 值即可。
对于（1）fcc(面心立方)有a R 24=, 24R a =， 90,=====γβαc b a(2) bcc 体心立方有：a 34R = 34R a =； 90,=====γβαc b a(3) 简单立方有：R a 2=， 90,=====γβαc b a5. 金属铷为A2型结构，Rb 的原子半径为0.2468 nm ，密度为1.53g·cm-3，试求：晶格参74.0)3(3812)3/4(6)2321(6)3/4(633hcp =⋅=⋅R R R R a a c R ππξ＝R a a c 238==数a 和Rb 的相对原子质量。
解：AabcN nM=ρ 其中, ρ为密度, c b a 、、为晶格常数, 晶胞体积abc V =，N A 为阿伏加德罗常数6.022×1023 mol -1，M 为原子量或分子量，n 为晶胞中分子个数，对于金属则上述公式中的M 为金属原子的原子量，n 为晶胞中原子的个数。
(2024年)材料化学绪论曾兆华版
2024/3/26
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2024/3/26
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材料化学绪论曾兆华版
2024/3/26
1
目录
• 绪论 • 材料结构与性能 • 材料制备与加工 • 材料化学分析方法 • 材料的应用与未来发展
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01 绪论
2024/3/26
3
材料化学的定义与特点
材料化学的定义
材料化学是一门研究材料的制备、组成、结构、性质和应用等各个方面的科学 。
材料化学的特点
材料化学具有多学科交叉性、应用广泛性和创新性等特点。它涉及物理学、化 学、材料科学等多个学科领域，旨在探索和开发具有优异性能的新材料，以满 足不断增长的科技需求。
2024/3/26
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材料化学的研究内容与任务
材料化学的研究内容
材料化学的研究内容包括材料的合成与制备、材料的组成与 结构、材料的物理与化学性质、材料的应用等方面。
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7
材料的晶体结构
晶体结构的基本概
念
晶体是由原子、离子或分子在三 维空间中周期性排列而成的固体 。晶体结构决定了材料的物理和 化学性质。
晶格与晶胞
晶格是晶体中原子、离子或分子 的排列方式，而晶胞是晶格中最 小的重复单元。晶格常数和晶胞 参数是描述晶体结构的重要参数 。
晶体缺陷
晶体中原子、离子或分子的排列 偏离理想结构的现象称为晶体缺 陷。缺陷对材料的性能有重要影 响，如导致材料强度降低、电学 性能变化等。
2024/3/26
材料化学的研究任务
材料化学的研究任务包括探索和开发新型高性能材料，优化 现有材料的性能，揭示材料性能与微观结构之间的关系，以 及推动材料科学的理论发展等。
金属材料学(第二版)课后答案
第一章钢的合金化原理1．名词解释1）合金元素: 特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。
(常用M来表示)2）微合金元素: 有些合金元素如V，Nb，Ti, Zr和B等，当其含量只在0.1%左右（如B 0.001%，V 0.2 %）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。
3）奥氏体形成元素:在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如Mn, Ni, Co, C, N, Cu；4）铁素体形成元素: 在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。
如：V，Nb, Ti 等。
5）原位析出: 元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时, 合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物如Cr钢中的Cr：ε-FexC→Fe3C→（Fe, Cr）3C→（Cr, Fe）7C3→（Cr, Fe）23C66）离位析出: 在回火过程中直接从α相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，可使HRC和强度提高（二次硬化效应）。
如V，Nb, Ti等都属于此类型。
2．合金元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti、Al中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在a-Fe中形成无限固溶体？哪些能在g-Fe 中形成无限固溶体？答：铁素体形成元素：V、Cr、W、Mo、Ti、Al；奥氏体形成元素：Mn、Co、Ni、Cu能在a-Fe中形成无限固溶体：V、Cr；能在g-Fe 中形成无限固溶体：Mn、Co、Ni3．简述合金元素对扩大或缩小γ相区的影响，并说明利用此原理在生产中有何意义？答：（1）扩大γ相区：使A3降低，A4升高一般为奥氏体形成元素分为两类：a.开启γ相区：Mn, Ni, Co 与γ-Fe无限互溶.b.扩大γ相区：有C，N，Cu等。
如Fe-C相图，形成的扩大的γ相区，构成了钢的热处理的基础。
（2）缩小γ相区：使A3升高，A4降低。
一般为铁素体形成元素分为两类:a.封闭γ相区：使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈,其结果使δ相区与α相区连成一片。
材料化学(第2版)作者曾兆华、杨建文编著第一章课件全
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实践性：
生物医药领域生物相容性材料：例如设计特殊的金属合金和聚合物涂层，以保护人体组织不与人工骨头置换体或其他植入物相排斥;人造肾脏、血液氧合器、静脉过滤器以及诊断化验等;药物、蛋白质及基因的控制释放。
Chemicals：the utility lies primarily in their consumption.Materials: can be used repeatedly or continuously for an application that does not irreversibly convert them to something else.
Chapter1 Introduction
1.1 材料与化学
Materials and Chemistry
—— connected with function and, through that function, utilities.
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Distinguish between
Chemicals and Materials
Chapter1 Introduction
12
Materials Science and Chemistry
Atomic-molecular level interaction
Macroscopic perspective
Chapter1 Introduction
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材料的发展
美国海军用0.5马力陶瓷发动机
广州新电视塔摩天轮的16个“水晶”观光球舱，壳体采用新型高分子材料，晶莹剔透，能保证舱内游客对塔外景色一览无余。
美国最新型隐身战斗机F-22使用吸波材料和吸波涂层
材料化学第二章习题参考答案1
材料化学第二章习题参考答案1第二章参考答案1.原子间的结合键共有几种？各自特点如何？2.为什么可将金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题?答:金属晶体中金属原子之间形成的金属键即无饱和性又无方向性, 其离域电子为所有原子共有,自由流动,因此整个金属单质可看成是同种元素金属正离子周期性排列而成,这些正离子的最外层电子结构都是全充满或半充满状态,电子分布基本上是球形对称,由于同种元素的原子半径都相等,因此可看成是等径圆球。
又因金属键无饱和性和方向性, 为使体系能量最低，金属原子在组成晶体时总是趋向形成密堆积结构,其特点是堆积密度大,配位数高,因此金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题.3.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a34R=34Ra=，n=2, ∴68.0)3/4()3/4(2)3/4(23333===RRaRbccππζ(2)六方密堆n=64.试确定简单立方、体心立方和面心立方结构中原子半径和点阵参数之间的关系。
解：简单立方、体心立方和面心立方结构均属立方晶系，点阵参数或晶格参数关系为90,=====γβαcba，因此只求出a值即可。
对于（1）fcc(面心立方)有aR24=,24Ra=，90,=====γβαcba(2) bcc体心立方有：a34R=34Ra=；90,=====γβαcba(3) 简单立方有：Ra2=，90,=====γβαcba74.0)3(3812)3/4(6)2321(6)3/4(633hcp=⋅=⋅RRRRaacRππξ＝Raac238==5. 金属铷为A2型结构，Rb 的原子半径为0.2468 nm ，密度为1.53g·cm-3，试求：晶格参数a 和Rb 的相对原子质量。
解：AabcN nM=ρ 其中, ρ为密度, c b a 、、为晶格常数, 晶胞体积abc V =，N A 为阿伏加德罗常数6.022×1023 mol -1，M 为原子量或分子量，n 为晶胞中分子个数，对于金属则上述公式中的M 为金属原子的原子量，n 为晶胞中原子的个数。
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第一章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？（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=410. 单质Mn有一种同素异构体为立方结构，其晶胞参数为0.6326nm，密度= 7.26 g cm-3，原子半径r = 0.112nm，计算Mn晶胞中有几个原子，其堆积系数为多少？74.)3(3812)3/4(6)2321(6)3/4(6＝33hcp=⋅=⋅RRRRaacRππξRaaR2424=⇒=74.)2/4()3/4(4)3/4(4＝3333fcc==RRaRππξ11. 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⨯-=∆r r r r ，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。
20.NaCl 晶体的晶胞棱长为0.558nm ，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>CRｂ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。
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-△S0C（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。
8.CVD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在较高温度处沉积，而Cu则在较低温度处沉积，从而可以对Cu和Cu20进行分离。
10.溶胶一凝胶法制备纤维材料，应采用怎样的条件较合适?请解释。
答:溶胶一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。
11.怎样用均匀沉淀法合成硫化锌颗粒?写出相关化学方程式。
答:用均匀沉淀法合成ZnS颗粒，可以采用硫代乙酞胺(CH3CSNH3)作为硫源，以乙酸锌（CH3C00)2Zn)为原料制得，反应方程式如下:CH3CSNH2→CH3CN+H2S (CH3C00)2Zn+ H2S→ZnS +2CH3COOH12.有两种活化能分别为Q1=83.7KJ/mol和Q2=251KJ/mol的扩散反应。
观察在温度从25℃升高到600℃时对这两种扩散的影响，并对结果做出评述。
k=Aexp（-△G k/RT）D=D0exp(-Q/RT)Q为扩散活化能，从上两式可见，温度上升时，无论反应速率常数还是扩散系数都是增加的，但由于扩散活化能通常比反应活化能小，从而温度的变化对化学反应的影响远大于对扩散的影响。
一般认为温度升高均有利于反应进行，因为温度升高，固体结构中质点热振动动能增大，反应能力和扩散能力均得到增强的原因所致。