材料合成与制备_作业习题

第一章课后习题一、名词解释1. 胶体(Colloid)：胶体是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的质量可以忽略不计，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。

2. 溶胶：具有液体特征的胶体体系，是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，不停地进行布朗运动的体系。

3. 凝胶(Gel)：具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网络骨架，骨架孔隙中充满液体或气体，凝胶中分散相含量很低，一般为1%~3%。

4. 溶胶－凝胶法(Sol-gel)：用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。

凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

5. 水解度R：水和金属醇盐物质的量比，即溶胶—凝胶反应过程中加水的量的多少。

6. 分散系：物质以一种或多种物质分散于另一种物质中的存在形式。

二、填空题1. 溶胶通常分为亲液型和憎液型两类。

2. 材料制备方法主要有物理方法和化学方法。

3. 化学方法制备材料的优点是可以从分子尺度控制材料的合成。

4. 由于界面原子的自由能比部原子高，因此溶胶是热力学不稳定体系，若无其它条件限制，胶粒倾向于自发凝聚，达到低比表面状态。

5. 计算颗粒间德华力通常用的两种模型为平板粒子模型、球型粒子模型。

6. 溶胶稳定机制中增加粒子间能垒通常用的三个基本途径是使胶粒带表面电荷、利用空间位阻效应、利用溶剂化效应。

7. 溶胶的凝胶化过程包括脱水凝胶化和碱性凝胶化两类。

8. 溶胶－凝胶制备材料工艺的机制大体可分为三种类型传统胶体型、无机聚合物型、络合物型。

9. 搅拌器的种类有采用电机带动搅拌叶片来进行原料混合的搅拌器和磁力搅拌器。

10. 溶胶凝胶法中固化处理分为干燥和热处理。

11. 对于金属无机盐的水溶液，前驱体的水解行为还会受到金属离子半径的大小、电负性和配位数等多种因素的影响。

三、说明溶胶-凝胶法的原理及基本步骤。

四、溶胶凝胶法的使用围五、溶胶－凝胶法制备块体材料的优点六、什么是浓缩法，什么是分散剂法？第二章课后习题一、名词解释1、水热法：是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气压），创造一个相对高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解，并且重结晶而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。

2、溶剂热法：将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒（例如：有机胺、醇、氨、四氯化碳或苯等），采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无法长成，易氧化、易水解或对水敏感的材料。

3、超临界流体：是指温度及压力都处于临界温度和临界压力之上的流体。

4、超临界水：是指温度和压力分别高于其临界温度(647K)和临界压力(22.1MPa)，而密度高于其临界密度(0.32g/cm3)的水。

5、微波水热合成：微波辐射作用与水热反应相结合的方法。

微波水热法利用微波作为加热工具,可实现分子水平上的搅拌,加热速度快,加热均匀无温度梯度,无滞后效应,克服了水热容器加热不均匀的缺点,缩短了反应时间,提高了工作效率,是一种具有发展前景的制备方法。

二、填空1、在溶剂热条件下，溶剂的物理化学性质如 沸点 、 熔点 、 介电常数 、 等相互影响，与通常条件下相差很大。

相应的，它不但使反应物(通常是固体)的溶解、分散过程及化学反应活性大为增强，使得反应能够在较低的 温度 下发生；而且由于体系化学环境的特殊性，可能形成以前在常规条件下无法得到的 材料 。

2、超临界流体的 密度 、 溶剂化能力 、 粘度 、 介电常数 、 扩散系数 等物理化学性质随温度和压力的变化十分敏感，即在不改变化学组成的情况下，其性质可由压力来连续调节。

3、在一般情况下，水是极性溶剂，可以很好的溶解包括盐在的大多数 电解质 ，对气体和大多数 有机物 则微溶或不溶，水的密度几乎不随压力改变。

4、微波水热的显著特点是可以将反应 时间 大大降低，反应 温度 也有所下降，从而在水热过程中能以更低的温度和更短的时间进行晶核的 形成 和 生长 ，反应 时间 和 温度 的降低,限制了产物微晶粒的进一步长大，有利于制备超细粉体材料。

5、物质的 介电常数 越大，吸收微波的能力越强,在相同时间的升温 越大 。

在微波场中，能量在体系部直接转化，水和醇类都有过热的现象出现。

6、水热法是在百余年前由地质学家模拟地层下的 水热条件 研究某些 矿物 和 岩石 的形成原因，在实验室进行仿地水热合成时产生的。

7、水热法常用 氧化物 或者 氢氧化物 或 凝胶体 作为前驱物，以一定的填充比进入高压釜，它们在加热过程中溶解度随温度升高而增大，最终导致溶液过 饱和 ，并逐步形成更稳定的 新相 。

反应过程的驱动力是最后可溶的前驱体或中间产物与最终产物之间的溶解度差，即反应向 吉布斯焓 减小的方向进行。

3、晶粒粒度是衡量粉体性能的一项重要指标，其 晶粒度 的改变直接影响粉体的特性。

尤其是粉体的晶粒度减小到 纳米 级时，粉体的特性产生较大的变化。

因此降低粉体的晶粒 晶粒度 对制备纳米粉体和纳米瓷具有十分重要的意义。

8、影响水热反应的因素有 温度 、 压强 、 反应时间 及 杂质 、pH 值、有无矿化剂和矿化剂种类。

所有这些因素都将影响最终产物的大小、形貌、物相等性质。

水热反应温度是化学反应和晶体生长的重要影响因素，它决定反应速率常数的大小。

9、溶剂的选择更是至关重要的，溶剂种类繁多，反应溶剂的溶剂化性质的最主要参数为溶剂极性，其定义为所有与溶剂-溶质相互作用有关的分子性质的总和（如库仑力、诱导力、色散力、氢键、和电荷迁移力）。

第三章 课后习题一、名词解释（25）1、电导和电导率：电导G 表示电解质溶液导电能力的大小来。

电导是电阻的倒数，根据欧姆定律：1I G R U == 电导率K 表示电极面积各为1cm2，两电极相距1cm 时溶液的电导。

2、离子独立移动规律：在无限稀释电解质溶液中，电解质的摩尔电导（∞Λm ）等于阳离子的摩尔电导（∞+Λ）与阴离子的摩尔电导（∞-Λ）之和，即∞-∞+∞Λ+Λ=Λm ，此式叫科尔劳奇（Kohlrausch ）离子独立移动规律。

3、活度和活度系数：电解质的活度a 等于阳离子的活度a +和阴离子活度a -的乘积，即2±-+=⋅=a a a a 。

阳离子和阴离子的活度系数γ+，γ-可由式---+++⋅=⋅=m a m a γγ定义，其中m +，m -分别是阳离子和阴离子的质量摩尔浓度。

4、零电荷电位：零电荷电位是电极表面剩余电荷为零时的电极电位称，用0ϕ表示。

5. 电位序：电位序就是各元素按照它们的标准电极电位数值的大小排列出来的顺序。

二、填空题（36）1. 测定迁移数的方法有 希托夫（Hittorf ）法 、 界面移动法 和 电池电动势法 等。

希托夫（Hittorf ）法测定的原理是利用电解时阳离子和阴离子的移动速度不同，从而导致阳极附近和阴极附近 电解质浓度 的不同而进行测定的。

2. 界面荷电层是自然界普遍存在的现象，按形成机理分主要有三种类型： 界面两侧之间的电荷转移 、 离子特性吸附形成分布于溶液一侧的荷电层 和 偶极子的定向排列 。

3. 无机物电解反应可分为 电还原 和 电氧化 两大类。

4. 依结构与功能的不同，隔离器（separator ）大致分为 隔板 、 多孔隔离器和隔膜 和离子交换膜 3种类型 。

5. 电化学反应器一般由 阴极 、 阳极 、 电解质溶液 和 隔离器 组成。

当电流通过反应器时，溶液中的离子在电场作用下发生 迁移 ，电极上则发生 电子传递反应，从而构成电流回路。

三、简答题（25）1. 电极上产生超电位的原因有哪些？影响超电位的因素？答：电极上产生超电位的原因：（1）浓差过电位：由于电解过程中电极上发生了化学反应，消耗了电解液中的有效成分，使得电极附近电解液的浓度和远离电极的电解液的浓度（本体浓度）发生差别所造成。

（2）电阻过电位：由于电解过程中在电极表面形成一层氧化物的薄膜或其它物质，对电流的通过产生阻力而引起的（3）活化过电位：由于在电极上进行的电化学反应速率往往不大，易产生电化学极化，从而引起过电位。

在电极上有氢或氧形成时，活化过电位更为显著。

电解时所观察到的过电位一般不是单纯的某一种，可能是三种都出现，应根据具体反应和实际情况而定。

影响超电位的因素：（1）电极材料；（2）析出物质的形态：通常金属的超电压较小，气体物质的超电压较大；（3）电流密度：电流密度增大，超电压随之增大。

2. 简述“电极/溶液”界面的双电层结构模型。

答：综合有关双电层结构的GCS 分散层模型（即Gouy-Chapman-Stern 模型）和不存在离子特性吸附的层模型（即紧密层模型），可将电极与溶液界面的结构简述如下：（1）由于静电作用和离子的热运动，离子双电层的特性具有双重性，即分散性和紧密型性；（2）紧密层的结构取决于两项中剩余电荷接近的程度，并与离子的水化程度有关。

无极阳离子水化程度高，四周具有完整的水化膜，因而离子不可能直接吸附在电极表面，紧密层较厚，常称为外紧密层；而无极阴离子水化程度低，容易失去水化膜，部分可直接吸附在电极表面，形成很薄的紧密层，成为紧密层；（3）分散层是由于离子热运动引起的，其厚度及电位分布只与电解质溶液的浓度、温度、电解质价态及分散层中的剩余电荷有关，而与离子特性无关；（4）电极与溶液界面的电位差为φa，可将其分为两部分，即分散层电位（φ1）和紧密层电位（φa－φ1）。

3. 无机电解合成工艺流程包括哪些？影响电解合成的因素有哪些？答：无机电化学合成工艺流程通常包括电解合成前处理、电解合成、电解合成后处理各步，其中电解合成是最重要的步骤。

作为整个工艺流程的最重要的步骤，电解合成的影响因素非常多，如：电解电压、电流密度、电极材料、电解液组成，电解温度等等。

它们不但会影响电极过程动力学及反应机理、电解效率，而且还会影响电解产物的纯度、性能和外观。

（l）电解电压电解电压的大小直接影响着产物的纯度和电能效率，是决定电解过程的关键。

（2）电流密度电流密度是由于浸于电解液的电极表面积A与通过的电流强度i的比值来描述。

它的大小决定着电解过程进行的速度。

（3）电极材料选用电极材料，首先耍考虑电极应不被电解液及电解产物所腐蚀、不污染产物，还应考虑超电位的大小。

（4）电解液组成在电解过程中，制备电解液是相当重要的。

所用电解液要具有良好的性质，以保证高的电解效率。

（5）电解温度温度在电解过程中从各个不同的方面影响着电解电压，比较复杂的，所以电解温度通常均由实验来确定。

（6）极间距离与隔膜阴极与阳极之间距离愈小愈好，因为电解液所呈现的阻R与极间距成正比，与浸入电解液的电极面积成反比。