研究生课程《无机固体化学》考试试卷及答案

2008级研究生第二学期《无机固体化学》课程试题A卷参考答案
一、判断题（对打“√”，错的打“×”，共10小题，每题2分，共20分）
1、二维准晶体长程平移无序，表现为各向同性。

（×）
2、在微观上，玻璃具有不连续、不均匀、无序的结构特点。

（×）
3、过冷度增大，熔体粘度增加，不利于晶核长大。

（√）
4、金属玻璃中由于不存在位错或晶界，其耐化学侵蚀能力强于普通金属。

（√）
5、气体分子在固体表面上的物理吸附将使其产生新的特征吸收带。

（×）
6、二维纳米材料在三维空间中有二维处在纳米尺度。

（×）
7、固相反应开始的温度通常远低于反应物的熔点或系统低共熔温度。

（√）
8、氢键、范德华键以及共价键键都具有方向性和饱和性。

（×）
9、空位扩散和环形扩散都是通过点缺陷而进行的体扩散。

（√）
10、菲克第二定律适用于扩散物质浓度分布随时间变化的情况。

（√）
二、试比较硅酸盐玻璃与硅酸盐晶体在结构与性能上的差异。

(1)晶体中Si－O骨架按一定对称性作周期重复排列，是严格有序的，在玻璃中则是无序排列的。

晶体是一种结构贯穿到底，玻璃在一定组成范围内往往是几种结构的混合。

（2分）
(2) 晶体中R＋或R2＋阳离子占据点阵的位置；在玻璃中，它们统计地分布在空腔内。

（2分）
(3) 在晶体中一般组成固定，并且符合化学计量比, 在形成玻璃的组成范围内氧化物以非化学计量任意比例混合。

（2分）
(4) 晶体中，只有半径相近的阳离子能发生互相置换；玻璃中，因为网络结构容易变形，可以适应不同大小的离子互换，所以只要遵守电价守恒规则，不论离子半径如何，网络变性离子均能互相置换。

（2分）
由于玻璃的化学组成、结构比晶体有更大的可变动性和宽容度，所以玻璃的性能可以作很多调整，使玻璃品种丰富，有十分广泛的用途。

（2分）
三、从取代式掺杂的角度出发，说明非晶态锗和晶态锗结构上的特点。

锗有四个价电子，按照8隅体规则(8-N规则，N为原子外层电子的数目)，则其正常配位数为四。

（1分）当晶体锗中掺杂砷时，有五个价电子的砷原子进入一个四配位的位置代替一个锗原子，并与相邻的四个锗原子形成四个共价键。

（2分）由于As有5个价电子，所以在Ge晶体中掺As以后，As原子的第五个价电子能进入导带，从而使晶体锗成为n 型半导体。

（2分）
在非晶态锗中仍有少部分原子的周围只有三个可与之进行共价结合的近邻，从而产生一个悬键，即在该原子周围有一个没有参与成键的成单电子。

（1分）当掺杂砷时，砷原子
较易进入三配位结构，从而使砷原子外层的五个价电子中只有三个用于形成共价键，剩下的两个价电子形成 一个孤电子对。

（2分）由于此时砷原子是电中性的，没有进入导带参与导电的自由电子。

因此，取代式掺杂对于非晶态锗的电导率影响不大。

（2分）
四、试比较Frankel 缺陷、Schttky 缺陷的异同点。

Frankel （弗仑克尔）缺陷和Schttky （肖特基）缺陷都属于热缺陷。

（2分）
Frankel （弗仑克尔）缺陷特点： ①空位和间隙成对产生 ；（2分） ②晶体密度不变。

（2分）
Schttky 缺陷的特点：对于离子晶体，为保持电中性，正离子空位和负离子空位成对产生，晶体体积增大。

（2分）
在金属或金属间化合物中，Schttky 缺陷形成的能量小于Frankel 缺陷形成的能量。

（2分）
五、分析碱金属卤化物晶体在碱金属蒸气中加热后着色的原因。

在碱金属蒸气中加热碱金属卤化物晶体，就会有少量碱金属原子进入晶体结构，（2分）并占据正常阳离子格位，同时在晶体结构中产生负离子空位，以KCl 晶体为例，这个反应可写作：
（2分）
式中， A 代表结合进KCl 晶体的碱金属原子；
A K ′ 为中性金属原子进入晶格后所形成的一个带负电荷的缺陷；
V Cl . 为新形成的带一个空穴的负离子空位；
由于静电引力作用，缺陷A K ′上所带的电子很容易被V Cl . 吸引过来并俘获，这个反应
可写作： （2分）
反应后，A 是晶格中正常的+1价离子状态，而负离子空位俘获了一个电子，即
（2分）
这样，晶体中就形成了F 心。

处于F 心的电子可吸收可见光从基态到激发到较高的能级状态。

（2分）
六、写出缺陷反应方程式，并指出所形成色心的类型：
X Cl
X K Cl K V A V A +→+.'X Cl
Cl V e V →+'..')(Cl K V A A +→气)3(''3232分Fe
O Fe FeO V O Fe O Fe ++−−→−∙分）（332)(2122''2Fe O F O Fe V O Fe g O O Fe e ++⇔++∙分）（22)(2
12''2Fe O F Fe V O Fe g O Fe e ++⇔+∙
铁离子空位本身带负电，为了保持电中性；两个电子空穴被吸引到这空位的周围，形成一种V-色心。

（2分）
七、纳米粒子具有哪些纳米效应？并试例说明纳米效应在宏观世界中的表现。

纳米粒子具有以下四个方面的纳米效应：（1）表面与界面效应；（2分）
（2）小尺寸效应；（2分）（3）量子尺寸效应；（2分）（4）宏观量子隧道效应。

（2分） 纳米效应在宏观世界中的表现：水滴滴在莲花叶片上，形成晶莹剔透的圆形水珠，而不会摊平在叶片上的现象，这是由莲花叶片表面的“纳米”结构造成的。

（2分）
八、试述物理吸附与化学吸附之间的区别。

1. 物理吸附力是由固体和气体分子之间的范德华引力产生的，一般比较弱；化学吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键力，一般较强。

（2分）
2. 物理吸附吸附热较小，接近于气体的液化热，一般在几个kJ/mol 以下；化学吸附热较高，接近于化学反应热，一般在 40kJ/mol 以上。

（2分）
3. 物理吸附无选择性，任何固体可以吸附任何气体，当然吸附量会有所不同；化学吸附有选择性，固体表面的活性位只吸附与之可 发生反应的气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦然。

（2分）
4. 物理吸附稳定性不高，吸附与解吸速率都很快；化学吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸。

（2分）
5. 物理吸附可以是单分子层的，但也可以是多分子层的；化学吸附是单分子层的。

（2分）
6.物理吸附不需要活化能，吸附速率并不因温度的升高而变快；化学吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加快。

（2分）
物理吸附和化学吸附之间的本质差别在于吸附分子与固体表面的作用力性质的不同。

物理吸附的作用力是范德华力，化学吸附的本质是固体表面与被吸附物之间形成了化学键。

（3分）
分）
（2∙∙+⇔h Fe Fe Fe F e 分）（32)(2
1''2Fe O V O h g O ++⇔∙。