材料化学作业题答案

材料化学作业
第一章
1、晶体的一般特点是什么？点阵和晶体的结构有何关系？
晶态固体具有长程有序的点阵结构，即其中组成单元是处于一定格式空间排列的状态。

1、晶体的周期性：晶体是一种内部粒子或粒子集团在空间按一定规律周
期性重复排列而成的固体。

结构基元和大小方向为二个要素。

2、点阵结构与点阵：将晶体结构中的每个结构基元抽象成一个点，将这
些点按照周期性重复的方式排列，就可构成点阵。

2、什么是同质多晶？什么是类质同晶？
一些组成固定的化合物，由于其内部微粒可以以不同的方式堆积，因而产生不同种类的晶体，我们把这种同一化合组成存在两种或两种以上晶体结构形式的现象为同质多晶现象。

同种化合物的不同晶型，在其物理、化学性质上可能差别很大，如金刚石与石墨。

3、产生晶体缺陷的原因是什么？晶体缺陷对晶体的物理化学性质的影响如
何？
（1）实际晶体中的微粒数量是有限的；
（2）晶体中所有的微粒并非处在晶格中相应位置静止不动，而是在其平衡位置附近不停的振动；
（3）实际晶体中多少存在一定的缺陷。

这些缺陷是指偏离理想的点阵结构情况。

晶体的结构缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷等情况。

在实际晶体中缺陷和畸变的存在使正常的点阵结构受到了一定程度的破坏或扰乱，对晶体的生长，晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等到都有很大的影响，在生产和科研中非常重要，是固体物理、固体化学和材料科学等领域的重要内容。

第二章
１、晶体的结构特性是什么？这些特性是什么原因引起的？
答１、晶体的均匀性、２、晶体的各向异性、３、晶体的自范性、４、晶体的熔点、５、晶体的对称性。

晶态物质有别于气体、液体的最典型特征是具有点阵结构，正是由于本身结构的特殊性，使晶体呈现出与其它物质完全不同的特殊性质。

２、简述产生非整比化合物的原因，当二元氧化物AB中某原子被氧化，则此原子的组成系数将向什么方向变化？
当晶体中出现空位或填隙原子,从而使化合物的成份偏离整数比，这在晶体中是很普遍的现象。

有这种现象的晶体被称为非整比化合物，即晶体的组成中各类原子的相对数目不能用几个小整数比表示的化合物。

当某二元氧化
O。

物被氧化后，氧的相对含量增加，化学式从MO变为M1
－δ
３、按光的透射原理，试分析在一定条件下，胆甾相液晶是否能透光？
由于胆甾相液晶为层状螺旋排列的液晶材料，因此，垂直于液晶分子的层面方面不透光，但平等于层面方面可透光。

但透光性不如向列型。

４、试说明玻璃与陶瓷的异同。

玻璃与陶瓷都是真实的固体，其内部的原子都处于完全确定的平衡位置附近，并在平衡位置周围作振动运动。

它们都具有固体的基本属性，即宏观表现为连续刚体，不流动并有确定的形状，具有弹性硬度，可反抗切应力等性质。

玻璃是高温下熔融，熔融体在冷却过程中黏度逐渐增大、不析晶、室温下保持熔体结构的非晶固体。

陶瓷是指通过烧结包含有玻璃相和结晶相的特征的无机材料。

陶瓷在烧结过程中，部分熔融成玻璃态，通过玻璃态物质将微小的石英和其他氧化物晶体实现包裹结合而形成。

两者最大的区别在透光性，玻璃与陶瓷等到多晶材料或孪晶等晶体不同，玻璃中不存在晶粒或晶界具有透光性，而陶瓷中因晶粒的反射和折射影响，不具有透光性。

５、某种非氧化硅系列的玻璃质材料，在经过较长时间的存放后，透明性降低的原因是什么？
由于玻璃材料是内能较高的状态，具有向能量低的方向转化的趋势。

当玻璃质材料长时间存放后，内部部分析晶，从而对光产生折射和反射，使透明度降低。

６、当原子的配位数达到最大值12时，这12个配位原子所构成的凸多面体的面数为14，则它有多少个棱？
Ｆ＋Ｖ＝Ｅ＋２
F＝14，V＝12。

所以：E＝24，有24个棱。

7、某大晶体在110晶面的衍射峰半高宽为0.45º，衍射角为8.7º。

今制备的该晶体粉未的110晶面的半高宽为0.92º，试求110晶面的厚度。

（X射线的波长为154p m）
D＝Kλ/（B－B0）cosθ
＝()pm 170589907
.001745.047.06.1387.8cos 18045.092.0154
9.0＝－⨯⨯=⨯⨯π
＝17nm
第三章
1、指出A1型和A3型密堆积结构的点阵形式与晶胞中球的数目。

A1型最密堆积的点阵形式是立方面心结构，在晶胞中原子的数目为4个，其中八个顶点原子，每个顶点八个晶胞共用，在本晶胞中计一个原子。

六个面心原子，两个晶胞共用一个晶面，共三个原子。

A3型最密堆积结构的点阵形式是六方结构，晶胞中的原子数为2个，其中晶胞内部一个，八个顶点原子，计一个原子在晶胞中。

共二个原子。

2、计算A2、A3型密堆积结构中圆球的空间占有率。

图中的六方晶体中，含三个晶胞，六个原子，其中
底面的六边形的边长为两个原子的半径之和。

设原子半径为r
其底面积为6×边长为2r 的正三角形面积 6 3r 2
六梭柱的高为：：4r √6/3
三个晶胞的体积：18r 3
六个原子所占体积：8πr 3
由此得出，该晶胞的空间占有率为74.05%
同样，可心计算出A2晶胞的空间占有率为68.02%。

其中立方体的对角线为四个原子半径长度。

3、用固体能带理论说明什么是导体、半导体、绝缘体。

对一个固体材料，当其所拥有的最高占有能带没有充满时，称其为导带；具有导带的固体材料为导体，此外，当拥有的能带只有满带和空带，且禁带宽度小于3eV 的材料也具有导电性，也是导体材料。

当禁带宽度在3－5eV 之间的材料，称为半导体材料，禁带宽度大于5eV 的材料称为绝缘体。

4、单质Mn 有一种同素异型体为立方结构，其晶胞参数为635pm ，密度
ρ＝7.26g·cm-3,原子半径r＝112pm，计算晶胞中有几个原子，其空间占有率为多少？
对此立方结构晶体，其晶胞的体积为2.56×10―22cm3
该晶胞的质量为：1.86×10―21g
每个晶胞中的原子数为20个，原子占有的体积为1.17×10―22cm3
空间占有率为46.09%
5、金属化合物物相与金属固溶体物相不何不同？试从结构特征、组成特征和性能特征说明。

金属固溶体就是两种或多种金属或金属化合物相互溶解组成的均匀物相，其组分的比例可以改变，但不能破坏它的均匀性。

当合金组分的原子半径、元素电负性和价电子层结构以及单质的结构形式间差别增大时，金属合金倾向于生成金属化合物。

金属化合物有两种主要形式，即正常价化合物和电子化合物。

金属化合物的特征为：金属化合物的结构形式一般不同于纯组分独立存在时的结构；
第四章
1、如何正确理解离子半径的概念，离子半径是不是常数？它与哪些因素有关？
反映离子大小的一个物理量。

离子可近似视为球体，离子半径的导出以正、负离子半径之和等于离子键键长这一原理为基础，从大量X射线晶体结构分析实测键长值中推引出离子半径。

离子半径的大小主要取决于离子所带电荷和离子本身的电子分布，但还要受离子化合物结构型式（如配位数等）的影响，离子半径一般以配位数为6的氯化钠型晶体为基准，配位数为8时，半径值约增加3% ；配位数为4时，半径值下降约5%。

负离子半径一般较大，约为1.3～2.5埃；正离子半径较小，约为0.1～1.7埃。

根据正、负离子半径值可导出正、负离子的半径和及半径比，这是阐明离子化合物性能和结构型式的两项重要因素。

2、对一金属原子，它的原子半径、共价半径、离子半径及van de waals 半径的相对大小关系是什么？
各类半径从大到小的次序为：van de waals半径、原子半径、共价半径、阳离子半径。

如该金属原子可形成阴离子，则该阴离子半径大于原子半径。

3、羟基苯甲酸亦称水杨酸，以氢键解释它们的邻、间、对位异构体中哪个熔点最低。

在邻位羟基苯甲酸中，可形成分子内氢鍵，由于氢鍵具有饱和性，因此
分子之间不易形成有较强吸引作用的分子间氢鍵，分子之间的相互作用力较其它两种异构体弱，熔点最低。

4、试用热化学数据计算KCl晶体的晶格能。

由玻恩－哈伯循环法
U＝－⊿r H m
=-[⊿H m(生成)-( ⊿H m(升华)＋I K＋1/2⊿H m(Cl2分解)＋E Cl(亲和))
=435+(84+418+1/2×243-368)
=670.5 kJ/mol
第五章
1、一聚合物样品的元素分析结果为n(C):n(H):n(O)=2:4:1，试分析可能是什么聚合物？
聚环氧乙烷或聚乙烯醇
2、聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸甲酯哪一个较为柔顺？
高分子材料的柔顺性与其支链的长度和大小有关，支链的越长、越大，则柔顺性越差。

因甲基聚丙烯酸甲酯的支链长、体积大，其柔顺性差。

3、举例说出分子间力主要是：A：色散力；B：偶极力；C：氢键的聚合物名称。

A：色散力为主的聚合物材料主要有聚乙烯、聚丙烯等非极性或弱极性的聚合物材料。

B：偶极力为主要分子间作用力的聚合物材料主要有分子内有强极性鍵的聚合物材料，如含氯、氟的聚合物材料；
C：氢键力为主的聚合物材料的分子中含有可形成氢鍵的OH、NH3基团的高分子材料，如酚醛树脂、聚乙烯醇等。

4、非晶态聚合物在不同温度下的力学状态有何特点？
非晶态聚合物分子在不同温度下的力学状态及微观运动特征的宏观表现
有玻璃态、高弹态和粘流态。

当T<T g时，整个大分子失去柔顺性，聚合物的力学性质和玻璃态物质相似。

因此称为玻璃态。

高聚物呈玻璃态的最高温度称为玻璃化温度。

在T g<T<T f时，高聚物分子的动能较大，当施加外力时，高聚物会产生缓慢的形变，去除外力后高聚物又会地恢复原状。

当T>T f时，聚合物成为流动的黏绸液体，粘流态高聚物在外力作用下，大分子链之间发生相对动而产生不可逆永久变形，当外力去除后，形变不能回复。

5、简要说明逐步聚合反应的特征。

逐步聚合反应通常是由单体所带的两种不同的官能团之间发生化学反应而进行的。

逐步聚合反应的特点：
(1)逐步聚合反应是由若干个聚合反应构成的，是逐步进行的，反应可以停在某一阶段上，可得到中间产物；
(2)缩聚产物链节的化学结构与单体的不完全相同；
(3)在缩聚过程中，总有小分子副产物析出；
(4)相对分子质量随转化率增高而逐步增大，只有较高转化率时才能生成高相对分子质量的聚合物，这是逐步聚合反应区别小分子缩合反应的一个重要特征。

6、导电高分子一般具有何种结构？它有什么特点？
导电高分子材料分子内部必须具备长程共轭的主链，所以又称为共轭聚合物。

共轭π键成键和反键能带之间的能隙较小(1.5ev～3.0ev)，接近于普通无机半导体的能隙，所以共轭聚合物大多具有半导体的特性。

共轭聚合物容易被氧化或还原而实现所谓“掺杂”，使其电导率增加若干个数量级，接近于金属的电导率。

7、医用高分子材料的要求是什么？生物医用高分子材料有何特殊性？
医用高分子材料的要求：①耐生物老化；
②物理和力学性能好；
③材料价格适当，易于加工成型，便于消毒灭菌；
④生物相容性好。

生物医用高分子材料有何特殊性生物相容性是生物体与医用材料相互作用的情况，主要是指血液相容性、组织相应性及医用高分子材料的生物降解吸收性。

第六章
1.纳米材料的基本含义是什么？简述纳米材料所表面出的新特性。

纳米的基本含义是什么：纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。

它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为10~100nm。

它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。

前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。

简述纳米材料所表面出的新特性：1、小尺寸效应：
2、表面效应
3、宏观量子隧道效应
2.量子尺寸效应和小尺寸效应从概念上有何不同？举说明例两种效应所导致的结果。

量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。

当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。

小尺寸效应(Small size effect)，当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。

对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。

3.说明溶胶-凝胶法的原理及基本步骤。

易于水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程逐渐凝胶化，再经干燥烧结等后处理得到所需材料，基本反应有水解反应和聚合反应。

4.说明扫描隧道显微镜STM和原子力显微镜AFM的基本原理。

STM的基本原理是量子隧道效应。

在经典力学中，当势垒的高度比粒子的能量大时，粒子是无法越过势垒的。

然而，根据量子力学的原理，此时粒子穿过势垒出现在势垒另一侧的概率并不为零。

这种现象称为隧道效应。

AFM是基于原子间力的理论。

它是利用一个对力敏感的探针探测针尖与样品之间的相互作用力来实现成像的。

5. 碳纳米管的制备方法主要有哪几种？
1、火花法
这种方法是将两根石墨棒连接到电源，棒端间距为数毫米。

当接通电路，石墨棒之间产生100A的电弧，使石墨气化成为等离子体，其中一些以碳纳米管的形式重新凝聚，按质量计算，一般产率按质量计约为30%。

2、热气法
将一块基板在加热炉里加热至600℃，然后慢慢充入甲烷一类的含碳气体。

气体分解时产生自由的碳原子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。

3、激光轰击法
用脉冲激光代替电加热使碳气化，得到了碳纳米管。

第七章
1.什么是红外辐射材料？什么是透红外材料？它们各自有什么特点？
在外加能量的作用下，能辐射红外线的材料，红外辐射材料可分为热型、“发光”型和热“发光”混合型三类。

红外加热技术主要采用热型红外辐射材料。

透红外材料指的是对红外线透过率高的材料。

对透红外材料的要求，红外光谱透过率要高，透过的短波限要低，透过的频带要宽。

1.什么是发光材料？发光机理是什么？
发光是一种物体把吸收的能量，不经过热的阶段，直接转换为特征辐射的现象。

发光机理:发光材料的发光中心受激后，激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光就叫做分立中心发光。

它是单分子过程。

2复合发光：发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子，一般为正离子和电子，这两种粒子在复合时便发光，即复合发光。

1.半导体有几种分类方法，它们大致的分类引起结果是什么？
按成分可分为元素半导体和化合物半导体。

元素半导体又可分为本征半导体和杂质半导体。

化合物半导体又可分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种半导体。

按掺杂原子的价电子数可分为施主型和受主型，前者掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，后者正好相反。

按晶态分为结晶、微晶和非晶半导体。

此外，还有按半导体能带结构和电子跃迁状态来分类的。

1.超导体有哪些物理性质？有哪些临界参数？它们有什么内在联系？
零电阻现象：超导体零电阻是指当温度降至某一数值T c或以下时，其电阻突然变为零。

完全抗磁性：在达到临界温度Tc以下时，超导体内的磁通线一下子被排斥出去；或者先把超导体冷却至Tc以下，再通以磁场，这时磁通线也被排斥出去；
超导体有三个基本的临界参数，即临界温度T c，超导体从常导态转变为超导态的温度就叫做临界温度，以T c表示；临界磁场H c, 使超导态的物质由超导态转变为常导态时所需的最小磁场强度，叫做临界磁场，以H c表示；
临界电流A c，破坏超导电性所需的最小极限电流就是临界电流，以I c表示。

三个临界值的关系可用图中的曲面表示。

在临界面以下的状态为超导态，其余均为常导态
1.什么是光电效应？电光效应？光电材料有哪几种？它们各自的
原理是什么，有哪些应用。

.物质由于受到光照而引发其某些电性质变化的这一现象称为光电效应。

光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应三种。

光电效应：光电导效应（物质在受到光照射作用时，电导率发生变体的现象，可制造测光仪）；光生伏特效应（光照射到半导体的p-n结上，则在p-n结两端会出现电势差，p区为正极，n区为负极。

这一电势差可以用高内阻的电压表测量出来，可制造光电池）；光电子发射效应---外光电效应(发生于金属中（当金属或半导体受到照射时，其表面和体内的电子因吸收光子能量而被激发，如果被激发的电子具有足够的能量，足以克服表面势垒而从表面离开，就会产生了光电子发射效应，可制造光电发射管）。

电光材料(Electro一optic materials)具有电光效应的光学功能材料。

在外加电场作用下，材料的折射率发生变化的现象称电光效应
2.通过能带理论进一步了解导体、半导体及绝缘体的结构和导电机
理。

固体的能带中具有导带的或禁带宽度小于3eV的材料为导体，其导电机理是导带中电子在外电场的作用下定向运动。

禁带宽度在3－5eV之间的材料为半导体，其导电机理是在外界能量的作用下，满带中的电子接受能量进入空带，从而在满带中产生空穴，在空带中存在了电子，可在外电场的作用下沿电场方向运动而产生电流，从而达到导电状态。

绝缘体的禁带宽度在5eV以上，通常条件下，外界的能量不足以使电子跃迁至空带，因此导电能力很差。