材料科学与工程复习思考题

第1章绪论

思考题

1．材料科学与工程的四个基本要素

解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用

2．材料科学与工程定义

解：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。

3．按材料特性，材料分为哪几类？金属通常分哪两大类？无机非金属材料分哪四大类？

高分子材料按使用性质哪几类？

解：按材料特性，材料分为：金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。

金属材料分为：黑色金属材料和有色金属材料。

无机非金属材料分为：混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。

高分子材料按使用性能分为：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。

4．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性

解：①金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。

②无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型。

③高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻

璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf ）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。

第2章物质结构基础Structure of Matter

思考题

1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？

解：主量子数n、角量子数l、磁量子数m l、自旋量子数m s

2．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？

解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则

3．配位数及其影响配位数的因素

解：配位数：一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。

影响因素：①共价键数；②原子的有效堆积（离子和金属键合）。

4．电离能及其影响电离能的因素

解：电离能：从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需外加的能量。

影响因素：①同一周期，核电荷增大，原子半径减小,电离能增大；②同一族，原子半径增大，电离能减小；③电子构型的影响，惰性气体；非金属；过渡金属；碱金属；

5．混合键合实例

解：石墨：同一层碳原子之间以共价键结合，层与层之间以范德华力结合；

高分子：同一条链原子之间以共价键结合，链与链之间以范德华力结合。

作业题

2-1 按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布。

解：N:1s22s22p3O:1s22s22p4Si:1s22s22p63s23p2

Fe:1s22s22p63s23p63d64s2Cu:1s22s22p63s23p63d104s1 Br:1s22s22p63s23p63d104s24p5

2-2 88.83%的镁原子有13个中子，11.17%的镁原子有14个中子，试计算镁原子的相对原子质量。

解：镁原子的质子为12

镁原子的相对原子质量M=88.83%(12+13)+11.17%(12+14)=25.11

3．在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？

解：①在同一周期中，各元素的原子核外电子层数相同，且等于其周期序数。在同一主族中，各元素的最外层电子数相等，且等于其主族序数。

②在同一周期中，从左到右，核电荷数依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增大，失电子能力减弱，得电子能力增强，因此，金属性减弱，非金属性增强；而同一主族元素中，从上到下电子层数增多，原子半径增大，电离能趋于减小，失电子能力增强，得电子能力减弱，所以，元素的金属性增强，非金属性减弱。

4．比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。

解：①金属材料：简单金属（指元素周期表上主族元素）的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主。

②陶瓷材料：陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成分的共价键。

③高分子材料：高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键。

④复合材料：复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复

杂，不能一概而论。

5．比较键能大小，简述各种结合键的主要特点，简述结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑导电性﹑导热性﹑弹性模量和塑性有何影响。

解：键能大小：化学键能> 物理键能

共价键≥离子键> 金属键> 氢键> 范德华力

共价键中：叁键键能> 双键键能> 单键键能

结合键的主要特点：

①金属键，由金属正离子和自由电子，靠库仑引力结合，电子的共有化，无饱和性，无方向性；

②离子键以离子为结合单元，无饱和性，无方向性；

③共价键共用电子对，有饱和性和方向性；

④范德华力，原子或分子间偶极作用，无方向性，无饱和性；

⑤氢键，分子间作用力，氢桥，有方向性和饱和性。

结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑弹性模量和塑性的影响：

①结合键的键能大小决定材料的熔点高低，其中纯共价键的金刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。金属中过渡金属具有较高的熔点，这可能是由于这些金属的内壳层电子没有充满，是结合键中有一定比例的共价键。具有二次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。②密度与结合键类型有关，金属密度最高，陶瓷材料次之，高分子材料密度最低。金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有较高的相对原子质量，另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性，所以金属原子中趋向于密集排列，金属经常得到简单的原子密排结构。离子键和共价键结合时的情况，原子排列不可能非常致密，所以陶瓷材料的密度比较低。高分子中由于是通过二次键结合，分子之间