材料化学习题库

习题一答案1、晶体一般的特点是什么?点阵和晶体的结构有何关系？答：〔1〕晶体的一般特点是：a、均匀性：指在宏观观察中，晶体表现为各局部性状相同的物体b、各向异性：晶体在不同方向上具有不同的物理性质c、自范性：晶体物质在适宜的外界条件下能自发的生长出晶面、晶棱等几何元素所组成凸多面体外形d、固定熔点：晶体具有固定的熔点e、对称性：晶体的理想外形、宏观性质以及微观结构都具有一定的对称性〔2〕晶体结构中的每个结构基元可抽象成一个点，将这些点按照周期性重复的方式排列就构成了点阵。点阵是反映点阵结构周期性的科学抽象，点阵结构是点阵理论的实践依据和具体研究对象，它们之间存在这样一个关系：点阵结构＝点阵＋结构基元点阵＝点阵结构－结构基元2、以下图是一个伸展开的聚乙烯分子，其中C—C化学键长为1.54Å。试根据C原子的立体化学计算分子的链周期。答：因为C原子间夹角约为109.5°，所以链周期＝2×1.54Å×sin(109.5°/2)=2.51Å3、由X射线法测得以下链型高分子的周期如下，试将与前题比拟思考并说明其物理意义。化学式链周期聚乙烯醇2.52聚氯乙烯5.1聚偏二氯乙烯4.7答：由题中表格可知，聚乙烯醇的链周期为2.52Å，比聚乙烯略大，原因可能是-OH体积比H大，它的排斥作用使C原子间夹角变大，因而链周期加长，但链周期仍包含两个C原子；聚氯乙烯的链周期为5.1Å，是聚乙烯链周期的两倍多，这说明它的链周期中包含四个C原子，原因是原子的半径较大Cl原子为使原子间排斥最小，相互交错排列，其结构式如下：聚偏二氯乙烯链周期为4.7Å比聚乙烯大的多，而接近于聚氯乙烯的链周期为5.1Å，可知链周期仍包含4个C原子。周期缩短的原因是由于同一个C原子上有2个Cl原子，为使排斥能最小它们将交叉排列，即每个Cl原子在相邻2个Cl原子的空隙处。这样分子链沿C-C键的扭曲缩小了链周期。4．石墨分子如下图的无限伸展的层形分子请从结构中引出点阵结构单位来，分子中相邻原子间距为1.42Å，请指出正当结构单位中根本向量a和b的长度和它们之间的夹角。每个结构单位中包括几个碳原子？包括几个C-C化学键?解：点阵结构单元为，根本向量长度2.41Å，根本向量之间夹角120º，每个结构单元中包含2个碳原子，包含三个C-C化学键。5．试表达划分正当点阵单位所依据的原那么。平面点阵有哪几种类型与型式?请论证其中只有矩形单位有带心不带心的两种型式，而其它三种类型只有不带心的型式?答：划分正当点阵单位所依据的原那么是：在照顾对称性的条件下，尽量选取含点阵点少的单位作正当点阵单位。平面点阵可划分为四种类型，五种形式的正当平面格子：正方，六方，矩形，带心矩形，平行四边形。〔a〕假设划分为六方格子中心带点，破坏六重轴的对称性，实际上该点阵的对称性属于矩形格子。〔b〕〔c〕分别划分为正方带心和平行四边形带心格子时，还可以划分成更小的格子。〔d〕如果将矩形带心格子继续划分，将破坏直角的规那么性，故矩形带心格子为正当格子。6．什么叫晶胞，什么叫正当晶胞，区别是什么?答：晶胞即为空间格子将晶体结构截成的一个个大小，形状相等，包含等同内容的根本单位。在照顾对称性的条件下，尽量选取含点阵点少的单位作正当点阵单位，相应的晶胞叫正当晶胞。7．试指出金刚石、NaCl、CsCl晶胞中原子的种类，数目及它们所属的点阵型式。答：原子的种类原子的数目点阵型式金刚石C8立方面心NaClNa+与Cl-Na+：4，Cl-：4立方面心CsClCs+与Cl-Cs+：1，Cl-：1简单立方8．四方晶系的金红石晶体结构中，晶胞参数为a=b=4.58Å，c=2.98Å，α=β=γ=90º,求算坐标为〔0,0,0〕处的Ti原子到坐标为〔0.31,0.31,0〕处的氧原子间的距离。解：根据晶胞中原子间距离公式d＝[(x1-x2)2*a+(y1-y2)2*b+(z1-z2)2*c]1/2，得d＝[(0.31-0)2*a+(0.31-0)2*a+(0-0)2*c]1/2＝0.31*21/2*4.58Å＝2.01Å9.什么叫晶面指标，标出以下图所示点阵单位中各阴影面的晶面指标。答：晶面指标〔hkl〕是平面点阵面在三个晶轴上的倒易截数之比，它是用来标记一组互相平行且间距相等的平面点阵面与晶轴的取向关系的参数。10.晶面交角守恒是指什么角守恒，为何守恒？晶面的形状和大小为什么不守恒？晶体外形一般说受那些因素的影响？答：晶面交角守恒定律，即是同一种晶体的每两个相应界面间的夹角保持恒定不变的数值，假设对应各相应的晶面分别引法线，那么每两条法线之间的夹角〔晶面夹角〕也必为一个常数。晶面交角守恒定律是在1669年首先由斯蒂诺发现后经过其他学者反复实测、验证，直至18世纪80年代才最后确定下来的。这一规律完全是由于晶体具有点阵结构这一规律决定的。因为晶体的大小和形状不仅受内部结构的制约，还受外部因素的影响，所以晶面的形状和大小是不守恒的。一般说来，晶体外形除了其内部结构制约，在一定程度上还受到外因，如温度、压力、浓度和杂质的影响。11.论证在晶体结构中不可能存在五重旋转轴。证明：设晶体中有一n次螺旋轴通过O点，根据对称元素取向定理，必有点阵面与n重轴垂直。而其中必有与n重轴垂直的素向量，将作用于O点得到A’点。设n重旋转轴的基转角2π/n，那么L(2π/n)与L(-2π/n)必能使点阵复原。这就必有点阵B与B’，如上图所示。由图可以看出BB’必平行于AA’，即：BB’//AA’，那么：向量BB’属于素向量为a平移群，那么：m的取值与n的关系如下表：mcos(2π/n)2π/nn-2-12π/22-1-1/22π/33002π/4411/22π/66212π/11由上表可知，晶体结构中不可能存在五重旋转轴。并且不可能存在高于六次的对称轴。12、有A、B、C三种晶体，分别属于C2v、C2h、D2d群。它们各自的特征元素是什么，属于什么晶系，晶胞参数间的关系如何？各种晶体可能具有什么样的点阵形式。答：C2v：正交晶系，a≠b≠c，α=β=γ=900，oP,oC，oI，oF，3个垂直的2or2个垂直的mC2h：单斜晶系a≠b≠cα=γ=900≠βmP,mC(mA,mB)2ormD2d：四方晶系a=b≠cα=β=γ=900tP,tI4or4重反轴13、为什么l4种点阵型式中有正交底心，而无四方底心，也没有立方底心型式?答：立方底心型式会破坏立方体对角线上三重轴的对称性，不再满足立方晶系特征对称元素的需要，所以无立方底心型式。四方底心型式那么可以划分为更小的简单格子，且仍保持四重对称轴的对称性，所以无四方底心型式。而正交底心型式划分为更小的简单格子时，将破坏其α=β=γ=900的规那么性，所以要保存正交底心型式。14、为什么有立方面心点阵而无四方面心点阵？答：因为立方面心点阵假设取成素晶胞，不再满足立方晶系4个三重轴的特征对称元素的需要。而四方面心点阵可取成更简单的四方体心格子，所以没有四方面心点阵。15．某一晶体的点阵型式具有三个互相垂直的四重轴、对称面、对称中心,而此晶体却无4重对称轴、无对称面和对称中心,问此晶体属于何点群?简述推理过程。答：由于有一个以上的高次轴，应属于立方群。该晶体点阵型式有三个四重轴，而晶体无4重轴，所以该点阵对称性降低，具有C3轴，又晶体无对称面和对称中心，所以具有C2轴。综上分析此晶体属于T点群。16．请说明以下空间群国际记号的含义。答：“–”前面的是熊夫利斯记号，“–”后面的是国际记号。17、什么是晶体衍射的两个要素?它们与晶体结构有何对应关系？晶体衍射两要素在衍射图上有何反映?答：晶体衍射的两个要素：衍射方向和衍射强度关系：晶胞大小、形状衍射方向衍射〔点、峰〕的位置晶胞内原子种类和位置衍射强度衍射点〔线〕的黑度、宽度峰的高度、高度18、说明劳埃方程各符号的物理意义，并说明为何摄取劳埃图时需用白色射线，而在用单色特征射线摄取单晶回转图时，需使晶体沿一晶轴旋转？a，b，c为空间点阵中三个互不平行的根本向量的大小αO，βO，γO分别为三个方向上的X射线入射角α，β，γ分别为三个方向上的衍射角h，k，l为一组整数，称为衍射指标，分别表示在三个晶轴方向上波程差所含的波数λ为波长α，β，γ三个角度不是彼此完全独立的，他们之间还存在一定的函数关系。这个关系连同劳埃方程共有4个方程，联系3个未知变量，一般得不到确定解。欲得确定解，即欲得衍射图，必须增加变数。两中途径可到达此目的：一是晶体不动，采用多种波长混合的“白色”X射线，即X射线的波长λ在一定范围内发生变化，摄取劳埃图的劳埃照相法就是采用此法；二是采用单色X射线而使晶体转动，即改变αO，βO，γO的一个或两个，回转晶体法就是采用这种方法。19、明矾有八面体的理想外形，现在想用劳埃图来证明它确为立方晶体，考虑一下工作进行的大致步骤如何?答：劳埃法为晶体不动，用多色X-光照射，平板底片与X-射线垂直。沿其理想外形的3个四重轴方向分别摄像，分析底片上衍射点的对称性，假设每个方向均存在四重轴可证明明矾为立方晶体。23.论证具有面心点阵的晶体，其指标hkl奇偶混杂的衍射，强度一律为零。答：对面心晶体，可知，在〔0，0，0〕，〔0，1/2，1/2〕，〔1/2，0，1/2〕，〔1/2，1/2，0〕处有相同的原子。f1=f2=f3=f4=f,因为hkl奇偶混杂，故可能为两偶一奇，或者两奇一偶，那么，h+k,k+l,h+l中都是一个偶数，两个奇数。那么，cosπ(h+l)，cosπ(k+l)，cosπ(h+k)中有两个是-1，一个是1。故，上式=0所以，题述结论成立，消光存在。24.论证具有体心点阵的晶体，指标h+k+l=奇数的衍射其结构振幅︱Fhkl︱=0.答：对体心晶体，可知，在〔0，0，0〕，〔1/2，1/2，1/2〕处有相同原子。25.论证晶体在a方向上有二重螺旋轴时，那么h=奇数的结构振幅︱Fh00︱=0.答：对具有二重螺旋轴的点阵，在〔x,y,z〕和〔x+1/2，-y,-z〕有相同的原子。26、甲基尿素CH3NHCONH2〔正交晶系〕只在以下衍射中出现系统消光：h00中h=奇；0k0中k=奇；00l中l=奇，查表确定：〔1〕点阵型式，〔2〕有无滑移面存在？〔3〕有无螺旋轴存在？〔4〕确定空间群。解：根据条件，查表得：〔1〕如题所述，只有h00衍射中h＝奇数，0k0衍射中k=奇数，00l中l=奇时有系统消光即hkl衍射无系统消光，故为素格子。点阵型式为简单正交。〔2〕没有滑移面〔3〕a,b,c三个方向有21螺旋轴〔4〕空间群为P21212127、某立方晶系的晶体其密度d=2.16克/厘米3，化学式量为58.5，用λ=1.542Å的单色X射线，直径为57.3毫米的粉末照相机，摄取了一张粉末图，从图上量得衍射为220的一对粉末弧线间距2l=22.3毫米。求算晶胞参数a及晶胞中按化学式为单位的“分子数”。解：答:晶胞参数a为5.744Å，分子数Z为4。28、解:(1)、由公式4θ=2L/R×180/л得出θ=L/2R×180/л因为实际比值是2:4:6:8:10:12:14:16，所以是立方体心的点阵型式。(2)、由公式Sin2θ=(λ/2a)2·(h2+k2+l2)得出a=λ(h2+k2+l2)1/2/(2sinθ)=1.54×(12+12+02)1/2/(2sin20.13)=3.17(å)所以晶体常数a=3.17å(3)、由公式D=nM/VN0得出n=DVN0/M=Da3N0/M=19.3×(3.17×10-8)3×6.02×1023/183.85=2线号12345678L(mm)20.1329.1836.6048.5150.3257.4665.5876.69θ(度)20.1329.1836.6048.5150.3257.4665.5876.69Sinθ0.3440.4880.5960.7490.7700.8430.9110.973Sin2θ0.1180.2380.3550.5610.5920.7110.8290.947Sin2θn/Sin2θ112345678实际比值246810121416即每个晶胞中所含原子的数目是229．尿素的规那么外形如图：(1)根据图形，确定尿素(NH2CO-NH2)所属点群及晶系。(2)在¯4方向，2方向和m的法线方向上，拍了三张回转图，计算得到相应直线点阵周期分别为4.73、5.67及8.02，写出晶胞参数。(3)测得尿素晶体密度d＝1.335g／cm3，计算晶胞中的分子数目。(4)对衍射图进行指标化后，发现只有h00衍射中h＝奇数，0k0衍射中k=奇数，有系统消光，据此判断晶体的点阵型式，并写出空间群的国际符号。(5)计算衍射112，121，211的布拉格角(λ＝1.5418Å)。(6)设粉末照相机半径为5cm，推算尿素粉末图上述衍射所对应的粉末弧线2l长．解:⑴、尿素所属点群为D2d，四方晶系。⑵、晶胞参数为：a=b=5.67åc=4.73å⑶、Z=d×V×No/M=1.335×(5.76×5.76×4.73)×(10-8)3×(6.02×1023)/60=2晶胞中原子的数目为2。⑷、简单四方点阵因为如题所述，只有h00衍射中h＝奇数，0k0衍射中k=奇数，有系统消光即hkl衍射无系统消光，故为素格子。另如尿素为体心四方点阵，那么当h+k+l=奇数时，出现系统消光。那么，对00l型衍射l为奇数时亦有消光；但实际没有出现消光，说明它不是体心点阵，而是简单四方点阵。空间群的国际符号为：推导过程如下:∵c方向上有四重反轴h00衍射中，h=奇数时出现系统消光，那么在平行于a方向上有21螺旋轴在垂直于a+b方向，如有c滑移面，应在003，005等衍射方向有消光现象，但实际没有,所以没有c滑移面.只有对称面m.⑸、公式sin2θ=(λ/2a)2(h2+k2+l2)对112衍射，sin2θ112=(1.5418/2×5.76)2(12+12+22)θ=22.21o对121衍射，sin2θ121=(1.5418/2×5.76)2(12+22+12)θ=20.17o对211衍射，sin2θ211=(1.5418/2×5.76)2(22+12+12)θ=20.17o(6)、公式4θ=(2L×180)/(R×Π)2L112=(4θ×RΠ)/180=(4×22.21×5×Π)/180=7.751cm2L121=(4θ×RΠ)/180=(4×20.17×5×Π)/180=7.039cm2L211=(4θ×RΠ)/180=(4×20.17×5×Π)/180=7.039cm第二章1、天然或绝大局部人工制备的晶体都存在各种缺陷，例如，在某种氧化镍晶体中就存在这样的缺陷：一个Ni2+空缺，另有两个Ni2+被两个Ni3+所取代。其结果晶体仍然呈电中性，但化合物中Ni和O的原子个数比发生了变化。试计算样品组成为Ni0.97O时该晶体中Ni3+与Ni2+的离子数之比。解：设晶体中Ni3+的离子数为a，Ni2+的离子数为b。根据题意：答：该晶体中Ni3+与Ni2+的离子数之比为6：91。2、氧化铁Fex0(富士体)为氯化钠型结构，在实际晶体中，由于存在缺陷，x＜1。今有一批氧化铁，测得其密度为5.7g/cm3，用MoKα射线〔λ=71.07pm〕测得其面心立方晶胞衍射指标为200的衍射角θ=9.56°〔sinθ=0.1661,Fe的相对原子质量为55.85〕。〔a〕计算Fex0的面心立方晶胞参数。〔b〕求x值。〔c〕计算Fe2+和Fe3+各占总铁质量的质量分数。〔d〕写出说明铁的价态的化学式。解：〔a〕〔c〕设0.92mol铁中Fe2+的摩尔数为y，那么Fe3+的摩尔数为〔0.92-y〕，根据正负离子电荷平衡原那么可得：即Fe2+和Fe3+的摩尔数分别为0.76和0.16，他们在总铁中的摩尔百分数分别为：〔d〕富士体氧化铁的化学式为。3、NiO晶体为NaCl型结构，将它在氧气中加热，局部Ni2+将氧化为Ni3+，成为NixO(x＜1)。今有一批NixO，测得其密度为6.47，用波长λ=154pm的X射线通过粉末法测得立方晶胞111衍射指标的θ=18.71°〔sinθ=0.3208〕。〔Ni的相对原子质量为58.70〕1molg−⋅〔a〕计算NixO的立方晶胞参数；〔b〕算出x值，写出标明Ni的价态的化学式。〔c〕在NixO晶体中，O2-堆积方式怎样？Ni在此堆积中占据哪种空隙？占有率〔即占有分数〕是多少？〔d〕在NixO晶体中，Ni-Ni间最短距离是多少？解：〔a〕NixO的立方晶胞参数为：〔b〕因为NixO晶体为NaCl型结构，可得摩尔质量M：而NixO的摩尔质量又可以表示为：由此解得：x=0.92。设0.92mol镍中有ymolNi2+，那么有〔0.92-y〕molNi3+。根据正负离子电荷平衡原那么，有：2y+3(0.92-y)=2y=0.760.92-0.76=0.16所以该氧化镍晶体的化学式为：(c)晶体既为NaCl型结构，那么O2-2-的堆积方式与NaCl中的Cl-的堆积方式相同，即为立方最密堆积。镍离子占据由O2-围成的八面体空隙。而镍离子的占有率有92%。〔d〕镍离子分布在立方晶胞的体心和棱心上，Ni-Ni间最短距离即体心上和任一棱心上2个镍离子间的距离，它等于：Ni-Ni间最短距离也等于处在交于同一顶点的2条棱中心上的2个镍离子间的距离，即：4、试述玻璃的结构特征及其通性。参考：玻璃的内部结构无长程周期性。一般公认的玻璃态SiO2的结构是由1932年Zachariasen提出的无规那么网络学说，并在1936年被Wanen以X射线衍射工作所支持。该理论认为玻璃的结构中包含许多小的结构单位〔如由中心的硅和四角的4个氧通过共价键结合而成的SiO44-四面体〕，这些小结构单位彼此之间可以键合成链状，或由其它金属离子沿顶角键合，连结成很不规那么的三维网络。此结构缺少对称性或长程有序性，为保持电中性，每个角顶氧原子仅在两个四面体之间公用，因而该结构是颇为开敞的。玻璃的特性主要表现在：①没有固定的熔点②各向同性③内能高④没有晶界⑤无固定形态⑥性能可设计性6、试述晶子学说与无规那么网络学说的主要观点，并比拟两种学说在解释玻璃结构上的共同点和分歧。参考：晶子学说：认为玻璃由无数“晶子”组成，带有点阵变形的有序排列区域，分散在无定形介质中，晶子区到无定形区无明显界限。在这些模型中，人们假定其中存在着极小的有序区或微晶体，他们被无序区连接到一起。无规那么网络学说：该理论认为玻璃的结构中包含许多小的结构单位〔如由中心的硅和四角的4个氧通过共价键结合而成的SiO44-四面体〕，这些小结构单位彼此之间可以键合成链状，或由其它金属离子沿顶角键合，连结成很不规那么的三维网络。此结构缺少对称性或长程有序性，为保持电中性，每个角顶氧原子仅在两个四面体之间公用，因而该结构是颇为开敞的。详见课本。7、钾玻璃中K2CO3质量分数为18.4%，CaCO3质量分数为11.0%、SiO2质量分数为70.6%。计算三种氧化物的物质的量之比。假设需制造5.1t钾玻璃，需用碳酸钾、石灰石和二氧化硅各多少t？解：设钾玻璃的质量为100g，那么K2CO3质量为18.4g，为18.4/138mol；CaCO3质量为11g，为11/100mol；SiO2质量为70.6g，为70.6/60mol。物质的量之比为1：0.825：8.825所以三种氧化物之比为1：0.825：8.825。假设制造5.1t钾玻璃那么需用K2CO35.1×0.184=0.94tCaCO35.1×0.11=0.561tSiO25.1×0.706=3.6t8、什么是陶瓷，陶瓷有哪些特性？参考：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，一般由陶土或瓷土等硅酸盐，经过成型烧结，局部熔融成玻璃态，通过玻璃态物质将微小的石英和其它氧化物晶体包裹结合而成。陶瓷包括了陶器和瓷器，陶器是多孔透气的、强度较低的产品，此其时加了釉层、质地致密而不透气的、强度较高的产品。陶瓷具有以下性能特征：〔1〕力学性能：耐磨性、高强度难变形性、超高硬度等；〔2〕热血性能：耐热性、隔热性、导热性等；〔3〕光学性能：透光性、偏光透光性等；〔4〕电学和瓷学性能：绝缘性、导电性、离子导电性、压电性、介电性、磁性等；〔5〕生物和化学性能：生物体相容性、耐化学腐蚀性等。9、液晶结构中的哪些特点使其得以广泛应用？参考：见教材2.4第三章1、指出金属中键型和结构的主要特征。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：〔1〕金属中键型是金属键，由于金属元素的电负性一般都比拟小，电离能也较小，最外层家电子很容易脱离原子的束缚而在金属晶粒中由各个正离子形成的势场中比拟自由的运动，形成自由电子。金属晶体中各金属原子的价电子公有化于整个金属大分子，所有成键点子可在整个聚集体中流动，而共同组成了离域的N中心键。在金属晶体中没有定域的双原子键，也不是几个原子间的离域键，而是所有原子都参加了成键，这些离域电子在三维空间中运动，离域范围很大。〔2〕因为整个金属单质晶体可以看作是同种元素的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，他们的电子分布根本上是球形对称的；而同种元素的原子半径都相等，因此可以把他们看成是一个个等径圆球。又因为金属键无饱和性和方向性，金属原子在组成晶体时，总是趋向于形成密堆积的结构，其特点是堆积密度大，相互的配位数高，能够充分利用空间，整个体系能量最低。所以可以用等圆球密堆积的模型来描述金属结构。2、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，并写出球的分数坐标。答：A1型为立方F，晶胞中球的数目为4。球的分数坐标A3型为六方P格子，晶胞中的球的数目为2。求的分数坐标为3、试比拟A1和A3型结构的异同，指出A1和A3型结构中密置层相应的晶面指标。答：A1型结构重复周期为三层，可画出面心立方晶胞，为立方最密堆积。重复方式为ABCABC……。A3性结构重复周期为二层，可画出六方晶胞，为刘方最密堆积。重复方式为ABAB……A1、A3型堆积中原子的配位数皆为12，中心原子与所有配位原子都接触，同层6个，上下两层各3个。所不同的是，A1型堆积中，上下两层配位原子沿C3轴的投影相差60度呈C6轴的对称性，而A3堆积中，上下两层配位原子沿c轴的投影互相重合。在这两种最紧密堆积中，球间的空隙数目和大小也相同。附表：金属的结构型式A1A2A3原子的堆积系数74.05%68.02%74.05%所属晶系立方立方六方晶胞形式面心立方体心立方六方晶胞中原子的坐标参数0，0，0；0,,；,,0;,0,0，0，0；,,0，0，0；,,晶胞参数与原子半径的关系a=Ra=Ra=b=2Rc=R点阵形式面心立方体心立方简单六方4、计算A2，A3型密堆积结构中圆球的空间占有率。解：见上表。5、用固体能带理论说明什么是导体、半导体、绝缘体？参考：金属离子按点阵结构有规那么的排列着，每一离子带有一定的正电荷。电子在其间运动时与正离子之间有吸引势能，而且电子所处的位置不同，与正离子之间的距离不同，势能的大小就不同。因此，电子实际是在一维周期性变化的电场中运动。电子除直线运动外，在正电荷附近还要做轻微的振动。当电子的deBroglie波在晶格中进行时，如果满足Bragg条件nλ=2dsinθ时，要受到晶面的反射，因而不能同过晶体，使原有能级一分为二，这种能级突然上升和下降时能带发生断裂。已充有电子，能带完全被电子所充满叫满带。带中无电子，叫空带。能带中有电子单位充满叫导带。各能带的间隙是电子不能存在的区域，叫禁带。在导体中，具有导带。在外电场作用下，导带中的电子改变了在该能带不同能级间的分布状况，产生了电子流。绝缘体的特征是只有满带和空带，而且禁带很宽。满带与空带的能级差大于5eV，一般的激发条件下，满带中的电子不能跃入空带，即不能形成导带。这就是绝缘体不能导电的原因。半导体的特征也是只有满带和空带，但满带与空带间的禁带距离很窄，一般小于3eV。在一般的激发条件下，满带中的电子较易跃入空带，使空带中有了电子，满带中有了空穴，都能参与导电。由于需克服禁带的能量间隙，电子跳跃不如导带那样容易，因而电阻率也比导体高得多。9、单质Mn有一种同素异构体为立方结构，其晶胞参数为632pm，密度，原子半径r=112pm，计算Mn晶胞中有几个原子，其空间占有率为多少？解：∵Mn为立方结构，∴∴设晶胞中有n个原子，∴n=20答：Mn晶胞中有20个原子，其空间占有率为46.6%。11、固溶体与溶液有何异同？固溶体有几种类型？参考：所谓金属固溶体，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，其中组分的比例可以改变而不破坏均匀性。少数非金属单质如H、B、C、N等也可溶于某些金属，生成的固溶体仍然具有金属特性。存在三种结构类型不同的固溶体：置换固溶体、间隙固溶体、缺位固溶体。第四章1、试用热化学求KCl晶体的点阵能，所需要的数据如下表所示。物理量ΔH生成ΔH升华IKΔH分解YCl数值/kJ·mol-1-43584418243-368解：根据Hess定律2、KCl晶体具有NaCl型结构，晶胞棱长628pm。试计算KCl晶体的点阵能，并与上题所求的结果比拟。解：根据将NA、e、ε0等按国际单位所给数值代入，得KCl具有NaCl晶型，即A=1.748，又Z+=Z—=1，=9所以3、从理论计算公式计算NaCl与MgOde晶格能。MgO的熔点为2800℃，NaCl为801℃，请说明这种差异的原因。解：NaCl、MgO同属于NaCl型结构，根据将NA、e、ε0等按国际单位所给数值代入对于NaCl，R0=279pm=2.79×10-10mZ+=Z-=1m=〔7+9〕/2=8所以对于MgO，R0=210pm=2.10×10-10mZ+=Z-=2m=〔7+7〕/2=7所以参考：晶格能的大小，可以表示离子键的强弱。晶格能越大，表示离子键越强，离子晶体的熔点也就越高。因为UMgO＞UNaCl,，所以mpMgO＞mpNaCl。4、为什么可将离子晶体的结构归于不等径圆球密堆积的问题？参考：离子晶体的结构多种多样，而且有的很复杂。但复杂的离子晶体结构一般都是典型的简单结构形式的变形，故可将离子晶体的结构归结为几种典型的结构形式。5、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？参考：假设将离子近似的看作具有一定半径的弹性球，两个相互接触的球形离子的半径之和即等于核间的平衡距离，这就是一般所说的离子半径的意义。离子半径本来应该是指离子电子云的分布范围，但是按照量子力学计算，离子的电子云密度是无穷的，因此严格的说，一个离子的半径是不定的，它和离子所处的特定条件有关。6、试比拟Pauling半径和Goldschmidt半径的异同。参考：见教材。8、试就负离子堆积方式与正离子所占间隙的种类与分数比拟NaCl型与ZnS型结构之异同，比拟CsCl和CaF2型结构之异同。答：结构类型负离子堆积方式正离子填隙种类和分数类型分数NaClA1正八面体1ZnS立方A1正四面体1/2六方A3正四面体1/2CsCl简单立方立方体1CaF2简单立方立方体19、由离子半径计算CsBr和NaBr的半径比并推测晶体离子的配位数和晶体结构形式。答：晶体类型离子半径比〔R+/R-〕晶体离子配位数正离子负离子晶体结构形式CsBr0.85288CsCl型NaBr0.52066NaCl型10、BeO和MgO晶体的结构分别属于六方ZnS和NaCl型，试从离子半径比与配位数关系推测BeO和MgO的晶体结构形式，并与实际结果进行比拟。答：晶体类型离子半径比〔R+/R-〕晶体离子配位数正离子负离子推知晶体类型BeO0.32144六方ZnSMgO0.51466NaCl型11、表达Goldschmidt结晶化学定律，并扼要说明它的含意。参考：晶体的结构形式取决于其组成者的数量关系、大小关系和极化性能，组成者系指原子、离子或原子团。影响晶体结构形式包含以下几个因素：〔1〕正负离子的相对大小〔半径比R+/R-〕决定正离子配位数及配位多面体的型式。〔2〕正负离子的相对数量〔组成比n+/n-〕决定正负离子配位数之比及正离子所占空隙分数。〔3〕离子的极化引起键形以及结构形式的变异12、什么是金属原子半径、离子半径、共价半径、vandewaals半径，他们有何不同？举例说明。参考：见教材。金属原子半径：用X射线衍射法可以测定金属单质的结构，从金属晶体的晶胞参数可以求出两个邻近金属原子间的距离，他的一半就是原子半径。金属原子半径随配位数不同稍有变化，配位数高，半径大。离子半径：在离子晶体中，相邻的正负离子间存在着静电吸引力和离子外层电子云相互作用的排斥力，当这两种作用力达成平衡时，离子间保持一定的接触距离。假设将离子近似的看作具有一定半径的弹性球，两个相互接触的球形离子的半径之和即等于核间的平衡距离，这就是一般所说的离子半径的意义。Vandewaals半径：代表相邻分子中原子之间最小接触距离的平均值。13、CF4和PF3具有相同的电子数〔42个〕和相对分子质量〔88〕，但CF4的熔沸点〔-184℃，-128℃〕均较PF3〔-151.5℃，-101.5℃〕低，说明原因。答：CF4和PF3都有色散力。PF3是极性分子，除了具有色散力外还有静电力和诱导力；而CF4是非极性分子，只有色散力。所以CF4的熔沸点均较PF3低。14、将水分子看作球体，并假设堆积系数〔空间占有率〕为0.6，液态水中每个水分子的半径多大？答：液态水中1个水分子占据体积为30.0×10-24cm3〔由摩尔体积/NA得到〕设液态水中每个水分子半径为r，那么15、试解释为什么绿宝石〔Be3Al2[Si6O18]〕和透辉石〔CaMg[Si2O6]〕中的nSi:nO都为1：3，而前者为环状结构，后者为链状结构。参考：绿宝石的硅酸盐骨架为分立型，结构中含有孤立的硅氧骨干[Si6O18]，由六个SiO4基的环存在于绿宝石中。透辉石的硅酸盐骨架为链型，结构中每个[SiO4]四面体公用2个顶点，连成一无限长链。17、试画出环氧乙烷的分子模型，估计他们的最小直径，3A型分子筛的孔径约为330pm，估计一下能否用作环氧乙烷的枯燥剂，如果改用5A型分子筛呢？答：原子CHO共价半径〔pm〕773273范式半径〔pm〕172120140电负性〔xp〕2.552.203.44用上列数据，按同〔异〕核键键长的计算方法，得有关键长数据如下：O-HC-OC-CC-H键长93.8142154105.9这些计算值与实验测定值有的接近，有的差异较大，以下图分子形状是按实测键参数和范式半径画出来的由图可见，水分子和环氧乙烷分子的最小直径约为320pm和440pm。因此，水分子能够进入3A分子筛孔道而环氧乙烷不能。所以，3A分子筛对环氧乙烷有枯燥作用。但由于水分子的最小直径与3A分子筛孔径相差较小，因此脱水效果不会太好。5A分子筛的孔径和环氧乙烷分子最小直径非常接近，有可能也吸附环氧乙烷，因此不适用来枯燥环氧乙烷。18、羟基苯甲酸亦称水杨酸，邻位结构熔点是159℃，间位结构熔点是201.3℃，对位结构熔点是213℃，试用氢键解释。参考：分子间生成氢键，熔点会上升；分子内生成氢键，一般熔点会降低。水杨酸的邻位结构形成六元环的分子内氢键，熔点159℃，而生成分子间氢键的间位和对位结构熔点分别为201.3℃和213℃。19、答复以下有关A型分子筛的问题：〔a〕写出3A，4A，5A型分子筛的化学组成表达式及其用途；〔b〕最大孔窗由几个Si和几个O原子围成？〔c〕最大孔穴〔笼〕是什么笼？直径大约多大？〔d〕简述筛分分子的机理。答：〔a〕分子筛是一种天然或人工合成的泡沸石型硅铝酸盐晶体。已发现的天然沸石约有40余种，主要是丝光沸石、斜发沸石、方沸石和钙十字沸石等。人工合成的沸石计有100余种，其中A型、X型、Y型和ZSM型分子筛已在工业生产和科学研究中发挥着重要作用。人工合成的A型、X型和Y型等分子筛的化学组成可用通式Mr(AlpSiqO2(P+Q))·mH2O表示。由该通式可见，Al3+和Si4+的数目之和为O2-数的一半，这说明这几类分子筛都具有骨架型结构。在一般情况下，Al3+数比Si4+数小。假设Al3+数超过Si4+数，那么会在结构中出现[AlO4]四面体直接相连的情况，由于Al-O静电键强度小于Si-O静电键度，这会削弱骨架强度。通常，为使分子筛热稳定性好、耐酸性强，总是希望硅铝比高些。化学通式中的M是骨架外的金属离子。为保持分子筛呈电中性，假设M是一价离子，那么r=p，即在骨架中引入一个Al3+代替Si4+，那么在骨架外就引入一个一价正离子。假设M为二价离子，那么r=p/2，等等。A型分子筛主要有3种，即3A，4A和5A型分子筛。4A分子筛是A型分子筛钠盐，属于立方晶系，晶胞参数a=2464pm，晶胞的组成为Na96(Al96Si96O384)·216H2O。假设不考虑Al3+和Si4+位置的差异，那么可划分出体积只有原晶胞体积1/8〔即晶胞参数只有原晶胞参数的1/2〕、组成为Na12(Al12Si12O48)·27H2O的“假”晶胞。这种A型分子筛的有效孔径约4Å，故称为4A分子筛或NaA分子筛。假设用K+代替Na+，由于K+的半径比Na+的半径大，分子筛的有效孔径减小至3Å左右，称为3A型分子筛或KA型分子筛。其化学组成为K12(Al12Si12O48)·27H2O。当用Ca2+代替Na+时，由于Ca2+的电价是Na+的2倍，因而Ca2+的数目是被其取代的Na+一半。而Ca2+的半径和Na+的半径相近，他优先占据六元环的位置。当晶胞中约有2/3的Na+被取代时，八元环不再为骨架外的离子所占，这是分子筛八元环的有效孔径增大至约5Å，成为5A分子筛或CaA型分子筛，其典型组成为Ca4Na4(Al12Si12O48)·27H2O。如前所述，分子筛已在工业生产和科学研究中发挥着重要作用。5A分子筛可用于石油脱蜡，使油品凝固点降低，别离出的正烷烃可作为洗涤剂原料。它还可用于气体或液体的深度枯燥及气体的纯化。也可用来别离甲烷、乙烷和丙烷。4A分子筛是制备5A分子筛和3A分子筛的原料，它可用于气体和液体的深度枯燥和纯化。3A分子筛用于深度枯燥乙烯和丙烯等气体。分子筛对水的吸附能力很强，吸附容量很大，可将空气中水的含量从4000ppm降至10ppm。此外，A型分子筛不潮解、不膨胀、不腐蚀、不污染、可再生，是理想的吸附剂、枯燥剂和别离剂，某些A型分子筛还可作为一些化学反响的催化剂。〔b〕将一正八面体分别沿着垂直于C4轴的方向削去顶角，所得到的多面体称为立方八面体。削去6个顶点得到6个四边形，而原来的8个三角形都变成了六边形，所以立方八面体是一个十四面体，有24个顶点、36条棱。可看作由立方体和八面体围聚而成。在分子筛结构中，硅〔铝〕氧四面体通过顶点上的O2-互相连接形成环，环上的四面体再通过顶点上的O2-互相连接形成三为骨架。在骨架中形成了许许多多的面体空穴，常称为“笼”。A型分子筛就是由立方八面体笼、α笼和立方体笼构成的。立方八面体笼又称为β笼或方钠石笼。其几何结构特征可用上述的立方八面体模拟。笼的平均有效直径为660pm，有效体积约4.1×10-18cm3。将β笼放在立方体的8个顶点上，笼和笼通过立方体相连，那么8个β笼相连后形成一个α笼，此即A型分子筛的结构。α笼是一个二十六面体，由12个四元环、8个六元环和6个八元环组成，共有48个顶点，72条棱。A型分子筛的最大窗口是八元环，由8个硅〔铝〕氧四面体构成。八元环包含8个硅〔铝〕氧离子和8个氧离子。该八元环的有效孔径约为420pm。假设把环看成正多边形，那么八元环的直径可按图估算。〔c〕如前所述，8个β笼通过立方体互相连接形成α笼。它是A型分子筛最大的空穴，平均有效直径为1140pm,有效体积为4.4×10-16cm3。〔d〕脱水后的分子筛具有空旷的骨架型结构，在结构中有许多孔径均匀的通道和排列整齐、内外表很大的空穴。孔径大小数量级与一般分子相当，它只允许直径比孔径小的分子进入，直径比孔径大的分子被拒之门外，从而将大小、形状不同的恩资分开，起筛分分子的作用，故而得名。第5章习题答案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？

单体：CH2

=

CHOH

聚乙烯醇。结构式：-[CH2-CH]n-

OH

CH3CH0

CH2-CH2

O

2、聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸甲酯哪一个较为柔顺？

答：聚丙烯酸甲酯的柔顺性比和聚甲基丙烯酸甲酯要好。

高分子在运动时C-C单键在保持键长和键角不变的情况下可绕轴任意旋转，称之为单键的内旋转。高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能称为高分子链的柔顺性。高分子链能形成的构象数越多，柔顺性越大。

由于分子内旋转是导致分子链柔顺性的根本原因，而高分子链的内旋转又受其分子结构的制约，因而分子链的柔顺性与其分子结构密切相关，其中主链结构、侧基和链的长度都起作用。在C-C键上带有其他原子或基团时，由于这些原子和基团之间存在着一定的相互作用，会阻碍单键的内旋转，所以柔顺性降低。3、说出分子间力主要是：A：色散力；B：偶竭力；C：氢键的聚合物名称。答：〔1〕主要是色散力的聚合物：聚乙烯等；〔2〕主要是偶竭力的聚合物：聚氯乙烯等；〔3〕主要是氢键的聚合物：聚乙烯醇、纤维素等。4、非晶态聚合物在不同温度下的力学状态有何特点？答：非晶态聚合物在不同温度下，可以呈现三种不同的力学状态，即玻璃态、高弹态和粘流态，这三种力学状态是聚合物分子微观运动特征的宏观表现。玻璃态聚合物在升高到一定温度时可以转变为高弹态，这一转变温度称为玻璃化转变温度，或简称玻璃化温度，当升温到粘流温度时，由高弹态转为粘流态。5、简要说明逐步聚合反响的特征。答：逐步聚合反响是由单体及不同聚合度的中间产物之间通过官能团之间的逐步反响来聚合的，具有以下几个特征：〔1〕逐步聚合反响是由假设干个聚合反响构成的，是逐步进行的，反响可以停留在某一阶段上，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，只有在高转化率才能生成高相对分子质量的聚合物，这是逐步聚合反响区别小分子缩合反响的一个重要特征。6、导电高分子一般具有何种结构？它有什么特点？答：导电高分子材料的共同特征是内都必须具备长程共轭的主链，即具有交替的单键、双键共轭结构。共轭p键成键和反键能带之间的能隙差较小〔1.5～3eV〕，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。共轭结构的聚合物容易被氧化或复原而实现所谓“掺杂”，使其电导率增加假设干个数量级，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？答：〔1〕耐生物老化。。〔2〕物理和力学性能好。〔3〕便于消毒和灭菌，易于加工，材料价格适当。4〕生物相容性好。(1)血液相容性(2)组织相应性〔3〕医用高分子材料的生物降解吸收性。2.聚丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸甲酯哪一个较为柔顺.高聚物的玻璃化温度大小比拟如下聚甲基丙烯酸甲酯>聚丙烯酸甲酯8.比拟以下两种聚合物的柔顺性，并说明为什么。解：聚氯丁二烯的柔顺性好于聚氯乙烯，所以前者用作橡胶而后者用作塑料。聚氯乙烯有极性的侧基Cl，有一定刚性。聚氯丁二烯虽然也的极性取代基Cl，但Cl的密度较小，极性较弱，另一方面主链上存在孤立双键，孤立双键相邻的单键的内旋转位垒较小，因为：①键角较大〔120°而不是109.5°〕；②双键上只有一个H或取代基，而不是两个。列举出四种商业上最常见的热塑性塑料,并且说明他们的用途聚丙烯PP最轻的塑料,机械强度比PE高,电器,耐水常见制品：盆、桶、家具、薄膜、编织袋、瓶盖、汽车保险杠等。聚苯乙烯PS在未着色时透明。制品落地或敲打，有金属似的清脆声，光泽和透明很好，类似于玻璃，性脆易断裂，用手指甲可以在制品外表划出痕迹。改性聚苯乙烯为不透明。常见制品：文具、杯子、食品容器、家电外壳、电气配件等聚氯乙烯PVC强度好,电器绝缘性，耐热性高常见制品：板材、管材、鞋底、玩具、门窗、电线外皮、文具等聚对苯二甲酸乙二醇酯PET透明度很好，强度和韧性优于聚苯乙烯和聚氯乙烯，不易破碎。常见制品：常为瓶类制品如可乐、矿泉水瓶等第6章习题答案纳米的根本涵义是什么?简述为什么纳米材料会表现出许多前所未有的新特性?答：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100~102nm。它包括体积分数近似相等的两个局部：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。由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比外表积大、外表能高、外表原子所占比例大等特点，纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。即纳米材料显现出纳米效应，具体表现为三大效应：外表效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。由于纳米效应，纳米材料光学、热学、电学、磁学、力学乃至化学性质也就相应地发生十分显著的变化。因此纳米材料具备其它一般材料所没有的优越性能，可广泛应用于电子、医药、化工、军事、航空航天等众多领域，在整个新材料的研究应用方面占据着核心的位置。纳米材料可分为哪几类?答：纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的根底。纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。比拟小尺寸效应和量子尺寸效应。答：纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒外表层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性表现出改变而导致出现新的特性。当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高占据分子轨道(HOMO)能级和最低空轨道(LUMO)能级而使能隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。什么是室温超塑性？为什么纳米陶瓷有望实现室温超塑性？答：超塑性是指材料在断裂前产生很大的伸长量，这种现象通常发生在经受中温(0.5Tm)、中等到较低的应变速率(10-6～10-2s-1)条件下的细晶材料中。目前，形变率达100％的张应力超塑性比拟常见，最大的形变高达800％。陶瓷超塑性的主要问题是形变率太大而缺乏以进行实际的应用，另外尽管人们发现在Y-TZP、Al2O3、Si3N4等陶瓷材料高温时(1100～1600℃)具有超塑性，但室温超塑性仍然未见报道。一般认为陶瓷具有超塑性应该具有两个条件，一是较小的粒径，二是快速的扩散途径(增强的晶格、晶界扩散能力)。纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的扩散途径，所以有望实现室温超塑性。最近研究发现，随着粒径的减少，纳米TiO2和ZnO陶瓷的形变率敏感度明显提高。由于这些试样气孔很少，可以认为这种趋势是细晶陶瓷所固有的。最细晶粒处的形变率敏感度大约为0.04，几乎是室温下铅的1/4，说明这些陶瓷具有延展性，尽管没有表现出室温超塑性，但随着晶粒的进一步减小，这一可能是存在的。为什么在研究碳纳米管的过程中，可以借鉴研究石墨的方法和技巧？石墨片卷绕成碳纳米管的方式主要有哪几种，有何区别？答：各种实验说明，碳纳米管的管壁是一种类似于石墨片的碳六边形网状结构，但有扭曲，这就是说，碳纳米管管壁由碳六边形环构成，每个碳与周围的三个碳原子相邻，碳与碳之间通过sp2杂化键结合，展开在平面上，实际上就是石墨片的结构。所以简单地说，碳纳米管可以看成是由石墨片卷成圆筒状而成的。石墨片卷成圆筒状的方式并不是唯一的，不同的卷绕方式所得到的碳纳米管的对称性不同，物理和化学性质也可能不同。高度旋转对称的碳纳米管，主要有两种方式，即扶手椅面方向和锯齿面方向旋转而成的碳纳米管。简述碳纳米管电学性质与其结构的关系。答：碳纳米管具有独特的电学性质，这是由于电子的量子限域所致，电子只能在单层石墨片中沿纳米管的轴向运动，径向运动受到限制，因此，它们的波矢是沿轴向的。所有的单臂碳纳米管是金属性的，手性和锯齿纳米管中局部为金属，局部为半导体性的。计算结果说明，共轴的金属-半导体和半导体-金属纳米管对是稳定的。因此，纳米尺度元件可在两个共轴纳米管或纳米管之间的结的根底上设计。可以想象纳米尺度电子元件可完全由碳末做成，这种元件同时具有金属和半导体性质。说明溶胶-凝胶法的原理及根本步骤。答：溶胶-凝胶法是一种新兴起的制备陶瓷、玻璃等无机材料的湿化学方法。其根本原理是：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响，经过水解与缩聚过程逐渐凝胶化，再经枯燥烧结等后处理得到所需材料，根本反响有水解反响和聚合反响。这种方法可在低温下制备纯度高、粒径分布均匀、化学活性高的单多组分混合物(分子级混合)，并可制备传统方法不能或难以制备的产物，特别适用于制备非晶态材料。溶胶-凝胶法制备过程中以金属有机化合物(主要是金属醇盐)和局部无机盐为前驱体，首先将前驱体溶于溶剂(水或有机溶剂)形成均匀的溶液，接着溶质在溶液中发生水解(或醇解)，水解产物缩合聚集成粒径为1nm左右的溶胶粒子(sol)，溶胶粒子进一步聚集生长形成凝胶(gel)。有人也将溶胶-凝胶法称为SSG法，即溶液-溶胶-凝胶法纳米固体中纳米微粒结构可以有哪些形态？答：按照纳米固体中纳米微粒结构形态的不同，可将其分为纳米晶体、纳米非晶体和纳米准晶体。包含的纳米微粒为晶态的纳米固体就是纳米晶体。在显微结构上，它有两种组元：一种是晶体组元，其原子位于晶粒内格点上；另一种是界面组元，原子位于晶粒间的界面上。它们都到达了纳米量级尺度，因而又有纳米微晶材料的说法。只是短程有序的非晶态纳米微粒组成的纳米固体称为纳米非晶体，而将只有取向对称性的纳米级准晶微粒弥散在基体中时，就可以得到纳米准晶材料。纳米晶体与一般多晶体的区别是什么？简述纳米晶材料的特点。答：纳米晶体中晶界所占的体积分数比一般多晶体高。纳米晶材料〔纳米结构材料〕是由〔至少在一个方向上〕尺寸为几个纳米的结构单元〔主要是晶体〕所构成。不同取向的纳米尺度小晶粒由晶界联结在一起，由于晶粒极微小，晶界所占的比例就相应的增大。纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。纳米结构材料因其超细的晶体尺寸〔与电子波长、平均自由程等为同一数量级〕和高体积分数的晶界〔高密度缺陷〕而呈现特殊的物理、化学和力学性能。纳米晶微粒之间能产生量子输运的隧道效应、电荷转移和界面原子耦合等作用，故纳米材料的物理性能也异常于通常材料。纳米晶导电金属的电阻高于多晶材料，因为晶界对电子有散射作用，当晶粒尺寸小于电子平均自由程时，晶界散射作用加强，电阻及电阻温度系数增加。但纳米半导体材料却具有高的电导率，如纳米硅薄膜的室温电导率高于多晶硅3个数量级，高于非晶硅达5个数量级。纳米晶材料的磁性也不同于通常多晶材料，纳米铁磁材料具有低的饱和磁化强度、高的磁化率和低的矫顽力。纳米材料的超导临界温度和临界电流的提高、特殊的光学性质、触媒催化作用等也是引人注目的。何为纳米组装体系？目前主要有哪些纳米组装体系的研究？答：由人工组装合成的纳米结构材料体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。它是以纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为根本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能够按照人们的意愿进行设计，使整个体系具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料化学和物理学的重要前沿课题。纳米组装体系又可以分为纳米阵列体系、介孔组装体系和薄膜镶嵌体系。目前对纳米阵列体系的研究，集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二维体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性以及与基体的界面耦合产生了一些新的效应，也使其成为研究热点。第7章习题答案什么是金属玻璃？分析金属玻璃的结构特点和性能特点。答：将熔融的合金喷射到冷的铜板上，降温速度在一百万摄氏度每秒以上，由于冷凝速度极高，液态合金来不及形成结晶就凝固了，结果获得了如同玻璃一样的非晶态合金。用X射线衍射法进行测试，发现这种急冷的合金与平常的金属不同，它不是晶体而是玻璃体，故非晶态合金又称为金属玻璃。这些非晶态金属材料内部原子作不规那么排列，这样的结构特征使它具有许多晶态材料所没有的性能。主要包括：(1)原子排列长程无序，这导致金属玻璃的X射线衍射不会出现晶态金属那样的衍射线，也不存在亚微观(即微米数量级)的各向异性(如磁畴结构等性质)。(2)短程有序，即金属原子的周围配位情况彼此相似，也和晶态中原子的情况相近。(3)无晶界，晶态金属一般由微米量级的小晶粒组成，晶粒间存在晶界。从亚微观来看金属玻璃是均匀的固体，不存在晶粒和晶界，这一特点大大提高了金属玻璃的力学性能和电磁性能，使它具有很高的强度，例如抗拉强度、硬度、断裂强度和弹性模量等都比晶态合金强得多。金属玻璃为非晶态结构，显微组织均匀，不含晶界、位错等缺陷，使腐蚀金属的液体“无缝可钻”，具有高度抗腐蚀性。(4)不稳定性，金属玻璃在热力学上是不稳定的，它有向晶态转化的趋势。(5)卓越的硬度和机械度，拉丝后纤维化的非晶态铁钽硅硼合金线材，拉伸强度高达400公斤每平方毫米，为钢琴丝的1.4倍，为一般钢丝的10倍。(6)优越的磁学性能。按照硅氧四面体在空间的组合情况，硅酸盐结构可以分成哪几类？答：按照硅氧四面体在空间的组合情况，硅酸盐结构可以分成岛状硅酸盐、组群状硅酸盐、链状硅酸盐、层状硅酸盐和架状硅酸盐。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？答：理论上，在0K以上时，任何物体均可辐射红外线，故红外线是一种热辐射，有时也叫热红外。但工程上，红外辐射材料只指能吸收热物体辐射而发射大量红外线的材料。红外辐射材料的辐射特性决定于材料的温度和发射率。而发射率是红外辐射材料的重要特征值，它是相对于热平衡辐射体的概念。热平衡辐射体是指当一个物体向周围发射辐射时，同时也吸收周围物体所发射的辐射能，当物体与外界进行能量交换慢到使物体在任何短时间内仍保持确定温度时，该过程可以看作是平衡的。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，首先是红外光谱透过率要高，透过的短波限要低，透过的频带要宽。透过率定义与可见光透过率相同，一般透过率要求在50％以上，同时要求透过率的频率范围要宽，透红外材料的透射短波限，对于纯晶体，决定于其电子从价带跃迁到导带的吸收，即其禁带宽度。透射长波限决定于其声子吸收，和其晶格结构及平均原子量有关。什么是发光材料？它的发光机理是什么？发光特征有哪些？答：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。发光现象广泛存在于各种材料中，因此，发光材料品种很多，按激发方式可分为：光致发光材料、电致发光材料、阴极射线致发光材料、热致发光材料、等离子发光材料。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，有自发发光和受迫发光两种情况。发光特征主要包括颜色特征、强度特征和持续时间特征。发光材料的发光颜色彼此不同，有各自的特征。已有发光材料的种类很多，它们发光的颜色也足可覆盖整个可见光的范围。一个材料的发光光谱属于哪一类，既与基质有关，又与杂质有关。随着基质的改变，发光的颜色也可改变。发光强度随激发强度而变，通常我们用发光效率来表征材料的发光本领。发光效率有三种表示方法：量子效率、能量效率及光度效率。量子效率指发光的量子数与激发源输入的量子数的比值；能量效率是指发光的能量与激发源输入的能量的比值；光度效率指发光的光度与激发源输入的能量的比值。最初发光分为荧光及磷光两种。荧光是指在激发时发出的光，磷光是指在激发停止后发出的光。发光时间小于10-8s为荧光，大于10-8s为磷光。当时对发光持续时间很短的发光无法测量，才有这种说法。现在瞬态光谱技术已经把测量的范围缩小到10-12s以下，最快的脉冲光输出可短到8fs〔1fs=10-15s〕。所以，荧光、磷光的时间界限已不清楚。但发光总是延迟于激发的。何为光电效应？主要有哪些光电效应？答：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。前两种效应在物体内部发生，统称为内光电效应，它一般发生于半导体中。光电子发射产生于物体外表，又称外光电效应。它主要发生于金属中。半导体有几种分类方法，它们大致的分类结果是什么？答：按成分可将半导体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。在此，我们顺便谈一下什么是本征半导体、杂质半导体。半导体中价带上的电子借助于热、电、磁等方式激发到导带叫做本征激发。本征半导体就是指满足本征激发的半导体。利用杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂质能级激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴的激发叫做非本征激发或杂质激发。满足这种激发的半导体就称为杂质半导体。按掺杂原子的价电子数半导体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。还可按晶态把半导体分为结晶、微晶和非晶半导体。此外，还有按能带结构和电子跃迁状态将半导体进行分类。简单解释超导现象。介绍一下目前主要研究的超导材料。答：1911年荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象。后来又陆续发现一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零，即具有超导现象。物质在超低温下，失去电阻的性质称为超导电性；相应的具有这种性质的物质就称为超导体。超导体在电阻消失前的状态称为常导状态；电阻消失后的状态称为超导状态。按成分可将超导材料分为元素超导体、合金和化合物超导体，有机高分子超导体三类。现在的有24种元素具有超导性。除碱金属、碱土金属、铁磁金属、贵金属外几乎全部金属元素都具有超导性。合金和化合物超导体包括二元、三元和多元的合金及化合物。组成可以是全为超导元素，也可以局部为超导元素、局部为非超导元素。有机高分子超导体主要是非碳高分子(SN)X。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？物理性质：零电阻现象和完全抗磁性〔迈斯纳效应〕。临界参数：临界温度Tc：超导体从常导态转变为超导态的温度。临界磁场Hc：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。临界电流Ic：破坏超导电性所需的最大极限电流。三个临界参数的关系：要使超导体处于超导状态，必须将其置于三个临界值Tc，Hc和Ic之下。三者缺一不可，任何一个条件遭到破坏，超导状态随即消失。其中Tc，Hc只与材料的电子结构有关，是材料的本征参数。解释什么是能源转换，简单介绍人类对能源的使用历史。答：能源转换是改变能源物理形态的能源生产。一般指化石燃料、水能等一次能源直接或间接转变为电能、热能、汽油、煤油、柴油、煤气等二次能源。例如，水的势能使水轮机运转，水轮机带动发电机而转变为电能；煤通过燃烧转换为热能，热能产生蒸汽驱动汽轮机转换为机械能，再带动发电机转换为电能。转换后的二次能源比一次能源具有更高的终端利用效率，使用时更方便、更清洁。在有热转换的过程中，不可防止地会伴有转换损失。例如，用一定量的煤来发电时，煤的有些能量将残存在未燃尽的煤粒中，有些将以热的形式从烟囱中损失掉或成为锅炉或蒸汽管道的辐射热而散发掉，有些以废热的形态失去，有些成为摩擦损失，剩下的局部转变为电能。所有这些能量加在一起等于煤完全燃烧所应释放的能量。在研究能源转换的问题时，不仅要注意能量的数量，还应注意能量的质量。人类对能源的利用主要有三次大转换：第一次是煤炭取代木材等成为主要能源；第二次是石油取代煤炭而居主导地位；第三次是20世纪后半叶开始出现的向多能源结构的过渡转换。人类利用能源的历史可分为五大阶段：火的发现和利用；畜力、风力、水力等自然动力的利用；化石燃料的开发和热的利用；电的发现及开发利用；原子核能的发现及开发利用。什么是磁光效应？磁光材料可分为哪几种，它们有什么应用？答：置于磁场中的物体，受磁场影响后其光学特性发生变化的现象称为磁光效应。磁光效应有磁光法拉第效应、磁光克尔效应等。与电光材料相比，磁光材料的种类要少得多，在应用上也远不如电光材料那样普遍。磁光材料按其状态可分为磁光晶体材料、磁光玻璃材料和磁光液体材料三种。磁光晶体材料是指在强磁场作用下，光学性质会发生变化的晶体。一类是具有磁致旋光效应的晶体，另一类是具有磁致双折射效应的晶体。磁光晶体的典型代表为亚铁磁性石榴石。还有很多磁性材料，具有突出的磁光效应，它们是尖晶石铁氧体、正铁氧体、钡铁氧体、二价铕的化合物、铬的三卤化物和一些金属。磁光玻璃是具有较强磁光效应的玻璃，由基质玻璃中掺入一定量的稀土旋光离子所制成。因此，其结构上常由未成对成键电子的重原子或有大的自旋和轨道磁矩的磁性分子组成。它具有大的原子磁性或分子磁性，从而具有较大的磁光效应。有少数液体具有较为显著的磁致双折射效应，如水、丙酮、氯仿、苯等。由于这些液体的科顿-蒙顿常数比其他电光克尔常数小得多，故实际很少作为磁光介质来使用。什么是声光效应？声光材料如何分类？答：当声波在介质中通过时，由于光弹效应，介质的密度随声波振幅的强弱而产生相应的周期性的疏密变化，它对光的作用犹如条纹光栅。此时光束假设以适当角度射入晶体内即产生衍射现象。这种声致光衍射现象称声光效应。常用的声光材料有声光晶体，声光玻璃和声光液体三大类。声光晶体是指具有声光效应的晶体。除满足光学晶体的一般要求外，声光晶体还应具备品质因素大、声吸收系数低、声速及其对温度的变化小等特点。声光玻璃是指能产生强的声光相互作用的玻璃。其性能要求是具有大的声光相互作用品质因素，并有高的光学均匀性和低的光和声损耗。声光玻璃通常分为四类:熔石英；含重金属离子玻璃；硫属化合物玻璃；单质半导体玻璃。声光液态材料主要是水和一些有机碘化物、有机溴化物。水的M2值最低，但因声损耗小，仍然被认为是一种好的液态声光介质。液态材料应用较少，常被一些性能优良的固体声光材料所代替。原子间的结合键共有几种？各自特点如何？类型键合强弱形成晶体的特点离子键最强无饱和性和方向性: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强有饱和性和方向性: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较强无饱和性和方向性:配位数高、结构密堆、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性氢键弱有饱和性和方向性；高分子化合物形成氢键数目巨大，对其熔点及力学等性能影响大；对小分子熔点、沸点、溶解性、黏度也有一定影响。范德华键最弱无饱和性和方向性:结构密堆、高熔点、绝缘2，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，n=2,∴(2)六方密堆n=6金属镍为A1型结构，原子间接触距离为249.2pm，请计算：1〕Ni立方晶胞的参数；2〕金属镍的密度；3〕分别计算〔100〕、〔110〕、〔111〕晶面的间距。解：对于面心立方A1型:原子间接触距离249.2pm=0.2492nm=2R,〔1〕,〔2〕金属镍的密度：〔3〕对于立方晶系，面间距公式为：因此有：(100)晶面间距:=0.3525nm(110)晶面间距:(111)晶面间距:nm试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁时出现的体积变化。在转变温度下，体心立方铁的晶格参数是0.2863nm，而面心立方铁的点阵参数是0.359lnm。解:体心立方:V1=a3=(0.2863nm)3=0.02347nm3面心立方:V2=a3=(0.3591nm)3=0.04630nm3ΔV=V2-V1=0.02284nm3,因此体积增大0.02284nm35，固溶体与〔液体〕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别离；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。6，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：，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。7，试求以下图中所示面的密勒指数A面：在x、y、z上的截距分别为x=0,y=∞,z=∞,故须平移，向x方向移动一晶格参数，此时，x=1,y=∞,z=∞,其倒数：1，0，0，故为A晶面指数为〔100〕〔倒数：1/2，-1/2，1，→互质整数：1，-1，2〕〔倒数：1，1，-4/3，→互质整数：3，3，-4〕8，用固体能带理论说明什么是导体，半导体，绝缘体？答：固体的导电性能由其能带结构决定。对一价金属〔如Na〕，价带是未满带，故能导电。对二价金属〔如Mg〕，价带是满带，但禁带宽度为零，价带与较高的空带相交叠，满带中的电子能占据空带，因而也能导电。绝缘体和半导体的能带结构相似，价带为满带，价带与空带间存在禁带。禁带宽度较小时〔0.1—3eV〕呈现半导体性质，禁带宽度较大〔＞5eV〕那么为绝缘体。满带：充满电子的能带空带：局部充满或全空的能带价带：价电子填充的能带禁带：导带及满带之间的空隙〔其中，空带和价带是导带〕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。半导体：价带全满，禁带宽度在0.1-3eV之间，此时，电子可以通过吸收能量而实现跃迁。绝缘体：价带全满，禁带宽度大于5eV，此时，电子很难通过吸收能量而实现跃迁9，有一根长为5m，直径为3mm的铝线，铝的弹性模量为70Gpa，求在200N的拉力作用下，此线的总长度。10，试解释为何铝材不易生锈，而铁那么较易生锈？答:锈蚀机理不同，前者为化学腐蚀，后者为电化学腐蚀铝是一种较活泼的金属，但因为在空气中能很快生成致密的氧化铝薄膜，所以在空气中是非常稳定的。铁与空气中的水蒸气，酸性气体接触，与自身的氧化物之间形成了腐蚀电池，遭到了电化学腐蚀，所以容易生锈。11，为什么碱式滴定管不采用玻璃活塞？答：因为普通的无机玻璃主要含二氧化硅，二氧化硅是一种酸性的氧化物，在碱液中将会被溶解或侵蚀，其反响为：SiO2+2NaOH→Na2SiO3+H2O12，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ΔGom,Cs=2100-6.95T,求Cs的