材料化学 化工大学课后习题答案

第一章

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，晶体表现为各部分性状相同的物体

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、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。 在两个或多个化合物中，如果化学式相似，晶体结构形式相同，并能互相置换的现象，我们称之为类质同晶现象。

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？

答：晶体产生缺陷的原因主要有：（1）实际晶体中的微粒总是有限的；（2）存在着表面效应；（3）存在着表面效应；（4）粒子热运动；（5）存在着杂质。 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？

（1）晶体的均匀性：晶体的均匀性是焓因素决定的；非晶体的均匀性是由熵因素引起的。

（2）晶体的各向异性：由于晶体在各个方向上的点阵向量不同，导致了晶体在不同方向上具有不同的物理性质

（3）晶体的自范性：在适宜的外界条件下，晶体能自发生长出晶面，晶棱等几何元素所转成的凸多面体，晶体的这一性质即为晶体的自范性。

（4）晶体的熔点：晶体在受到热作用时，温度升高，组成晶体的点阵上的原子或原子团而因振动加剧，当此振动的能量（平动和转动）达到晶格能（晶格对原子的束缚）时，晶体的结构被破坏，晶体开始熔化。因晶体中各原子所处的环境相同，所以熔化的温度也相同。所以晶体有一定的熔点。

（5）晶体的对称性：晶体的点阵结构决定了晶体的内部结构和理想外形都具有对称性。理

想外形的对称性属于宏观对称性；内部结构的对称性属于微观对称性。

２、简述产生非整比化合物的原因，当二元化合物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。

1、某种原子过多或短缺。

2、层间嵌入某些离子、原子或分子。

3、晶体吸收某些小原子。

元化合物AB 中某原子被氧化，某一原子被氧化造成另一原子短缺，则组成系数向短缺原子偏移。

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？

当各层分子长轴的去向不相互垂直时可以透过光。

４、试说明玻璃与陶瓷的异同

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。

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？

玻璃的透明性的主要原因是结构中最高占有轨道和最低空轨道的能级差别大，不能发生对可见光的吸收而产生电子跃迁的现象。经过较长时间的存放后最高占有轨道和最低空轨道的能级差减小，其次表面被氧化，表面不光滑会反射光。

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 14+12=E+2 E=24

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154pm ）。

D ＝K λ/（B －B0）cos θ=0.9*154/(0.92-0.45/360 *2π) cos8.7=1.709*10^3

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 立方面心最密堆积 晶胞中球的数目4

A3型 六方最密堆积 晶胞中球的数目2

2、计算A2、A3型密堆积结构中圆球的空间占有率。

A2堆积的空间利用率的计算:

A2堆积用圆球半径r 表示的晶胞体积为

:

46433V 晶胞=(r ) =r 333

每个晶胞中2个圆球的体积为：

43

r V 圆球=2⋅π3

A 2 堆积的空间利用率为：

42⋅πr 33==π=68. 02%6438r 33V 圆球V 晶胞

A3堆积用圆球半径r 表示的晶胞体积为:

88 a =2r, c=⋅2r =⋅a 33

=1. 633a =3. 266r

= 8 ⋅ r ⨯ ( 3r ) ⨯ 2 r = 8 2r 3 V 2晶胞3 每个晶胞中

2个圆球的体积为： 43 V =2⋅πr 圆球3 A 3堆积的空间利用率为：

V 圆球

V 晶胞43πr 1==π=74. 05%382r 322⋅3、用固体能带理论说明什么是导体、半导体、绝缘体。

金属：晶体的能带中存在不满带，表现出导电性。有两种情况（如同）：一是没有足够的电子填充价带能级，形成不满带；另一种是价带与空带重叠，电子在没有排满价带之前，一部分电子就开始填充空带部分，而形成不满带。

半导体：在波矢K 落在布里渊区边缘时，会发生能级分裂，出现禁带，但是半导体材料的禁带宽度很小，一般小于2eV ，在热激发下部分低能级电子可以跃迁到高能级上，从而表现出导电性。

绝缘体：同样也出现禁带，只是他的禁带宽度相对大一些，一般的温度下，热激发不能提供足够的能量使低能级上的电子跃迁到高能级上，因此不能表现出导电性。

金属镁如果仅仅从核外电子排布情况来看，1S 、2S 、2P 、3S 能级都被电子

排满，应该为绝缘体或半导体，但是金属镁的3S 能带和3P 能带发生部分重叠，从而使金属镁表现出导电性，为导体。

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？

答：设单位晶胞原子数为n ，则单位晶胞的质量为m=(n/NA)×M 已知晶胞参数a=0.6326 nm 则晶胞的体积为V ＝a3已知密度ρ＝7.26g/cm3，Mn 的原子量M ＝54.94 根据ρ＝m/V 计算的n=20 为复杂立方体结构已知原子半径R ＝0.112 nm

ξ＝nVatom/Vcell=20×[(4/3) πR3]/a3=0.465

5、金属化合物物相与金属固溶体物相比有何不同？试从结构特征、组成特征和性能特征明。

答：（1）构成金属固溶体的组成成分具有相同的结构形式，组分金属的原子半径相近，并且其电负性不能相差太多；而金属化合物组成成分的结构形式和原子半径、电负性有较大的差别。

（2）金属固溶体的结构仍然保持着其组分的结构，而金属化合物的结构一般不同其组分在独立存在是的结构形式，不同于金属固溶体中各组分原子占据着相同的结构位置，金属化合物各组分中原子在结构中位置占据着不同的位置。

（3）金属固溶体的性能与其组成成分在熔点和硬度上都要强许多，而金属化合物易于生成组成可变的金属化合物 。

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？ 答：若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。

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？

范德华半径>金属半径>共价半径>离子半径

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。

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℃。

4、试用热化学数据计算KCl 晶体的晶格能。

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？

单体：CH2 = CHOH 聚乙烯醇。结构式：-[CH2-CH]n-

CH3CH0 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 ：偶极力；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）主要是偶极力的聚合物：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应的特征。

答：逐步聚合反应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应来聚合的，具有以下几个特征：（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？

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？

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。

第六章

1. 纳米的基本含义是什么？简述纳米材料所表面出的新特性。

纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm 。

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。

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。

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。

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，经过消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。

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 2、热气法 3、激光轰击法

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？

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。

2. 什么是发光材料？发光机理是什么？

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。

3. 半导体有几种分类方法，它们大致的分类引起结果是什么？

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。

4. 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。

5. 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。 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。（1）光电导半导体（2）光电导陶瓷（3）有机高分子光导体 应用：制造光电倍增管, 光控制电器, 农业病虫害防治

电光效应是指在电场的作用下，晶体的介电常数，即其折射率发生改变的效应。1、应用液晶电光效应设计的两种特殊的光学器件——液晶光快门和液晶透镜；电光效应被广泛应用于显示器件

6. 通过能带理进一步了解导体、半导体及绝缘体的结构和导电机理。