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材料化学作业 专业：无机化学 学号：107551600515 姓名：陈景景第二章 化学基础知识一填空题1.热力学第三定律的具体表述为 纯物质完美晶体在0 K时的熵值为零 ，数学表达式为S*(完美晶体，0 K)=0 JK-1 。2.麦克斯韦关系式为 、 、 、 。3.偏摩尔吉布斯函数又称化学势，定义为 。4.理想稀溶液存在依数性质，即溶剂的蒸气压下降 、凝固点降低 、沸点升高 、渗透压的量值均与溶液中溶质的数量有关，而与溶质的种类无关。5.人们将存在于两相间厚度为几个分子大小的薄层称为界面层，简称界面，有液-气、固-气、固-液、液-液、固-固界面，通常把固-气界面、 液-气界面称为表面。6.表面张力一般随温度和压力的增加而降低，且金属键 离子键 极性共价键 非极性共价键。7.按照氧化态、还原态物质的状态不同，一般将电极分成第一类电极（金属电极、气体电极） 、第二类电极（金属-难溶盐电极） 、氧化还原电极 三类。8.相律是描述相平衡系统中 自由度 、组分数 、相数 之间关系的法则。其有多种形式，其中最基本的是吉布斯相律，其通式为 f=c-p+2 。二名词解释1.拉乌尔定律：气液平衡时稀溶液中溶剂A在气相中的蒸气压pA等于同一温度下该纯溶剂的饱和蒸气压pA*与溶液中溶剂的摩尔分数xA的乘积，该定律称为拉乌尔定律。2.亨利定律：在一定温度下，稀溶液中易挥发溶质B在平衡气相中的分压pB与其在平衡液相中的摩尔分数xB成正比，该定律称为亨利定律。3.基元反应：化学反应并非都是由反应物直接生成生成物，而是分若干真实步骤进行的，这些步骤称为基元反应。4.质量作用定律：基元反应速率与反应中各反应物浓度的幂乘积成正比，这一规律称为基元反应的质量作用定律。5.稳态近似处理：假定中间物浓度不随时间而改变的处理方法。6.极化：当电化学系统中有电流通过时，两个电极上的实际电极电势将偏离其平衡电势，这种现象称为电极的极化。7.相图：又称平衡状态图，用几何（图解）的方式来描述处于平衡状态时，物质的成分、相和外界条件相互关系的示意图。三简答题1.简述什么是亚稳状态，其形成原因及在生产中应如何处理。答：1）是一种热力学不稳定状态，但在一定条件下能长期存在，称为亚稳状态。2） 形成原因：新相难于形成。3） 生产中遇到亚稳态有时需要保护，有时需要破坏，如非晶体材料制备就是将材料高温熔融后迅速冷却，使晶格排列长程无序，从而形成非晶态亚稳结构，使材料的耐腐蚀性能力和力学性能得以提高。金属退火处理是为了消除淬火等处理所产生的一些不平衡相，使材料的内部组织重新达到平衡状态。2. 简述物理吸附与化学吸附的区别。项目物理吸附化学吸附吸附力分子间力化学键力吸附分子层多分子层或单分子层单分子层吸附温度低高吸附热小大吸附速率快慢吸附选择性无或很差有3.简述热分析法绘制相图的步骤。答：先将样品加热成液态，然后另其缓慢而均匀地冷却，记录冷却过程中系统在不同时刻的温度数据，以温度为纵坐标，时间为横坐标，绘制温度-时间曲线，即冷却曲线（或称步冷曲线）。由若干条组成不同的冷却曲线可绘制出相图。四计算题1.计算压力为100kPa，298K及1400K时如下反应CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)的rGm，判断在此两温度下反应的自发性，估算该反应可以自发进行的最低温度。解：2. 已知反应H2(g)+Cl2(g)=HCl(g)，rHm=-92.2kJmol-1，在298K时，K=4.861016，试计算500K时该反应的K和rGm。解：由范特霍夫方程即，得3. 在301K时，鲜牛奶大约在4h后变酸；但在278K时，鲜牛奶要在48h后才变酸。假定反应速率与牛奶变酸时间成反比，求牛奶变酸反应的活化能。解：由反应速率与牛奶变酸时间成反比，可知，反应为一级反应。速率方程为由阿仑尼乌斯方程即，得第三章 材料的制备一填空题1.熔体生长法主要有提拉法、坩埚下降法、区熔法、焰熔法等。2.物理气相沉积法是利用高温热源将原料加热，使之汽化或形成等离子体，在基体上冷却凝聚成各种形态的材料（如晶须、薄膜、晶粒等）的方法。其中以阴极溅射法、真空蒸镀法较为常用。3.PECVD所采用的等离子种类有辉光放电等离子体、射频等离子体、电弧等离子体。4.液相沉淀法是指在原料溶液中添加适当的沉淀剂，从而形成沉淀物的方法。该法分为直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法。5.固相反应按反应物状态不同分为纯固相反应、气固相反应、液固相反应及气液固相反应，按反应机理不同分为扩散控制过程、化学反应速度控制过程、晶核成核速率控制过程和升华控制过程等，按反应性质不同分为氧化反应、还原反应、加成反应、置换反应和分解反应。6.合成新材料的一个巧妙方法是以现有的晶体材料为基础，把一些新原子导入其空位或有选择性地移除某些原子，前者称为插层法，后者称为反插层法。引入或抽取原子后其结构一般保持不变。二名词解释1.水热法：指在高压釜中，通过对反应体系加热、加压，产生相对高温、高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解而达到过饱和、进而析出晶体的方法。2.高温溶液生长法：又称熔盐法，是采用液态金属或熔融无机化合物为溶剂，在高温下把晶体原料溶解，形成均匀的饱和溶液，通过缓慢降温或其他方法析出晶体的技术。3.离子镀：指蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子形式沉积在固体表面的方法，是真空蒸镀与阴极溅射技术的结合。4.化学气相输运：是指在一定条件下把材料转变成挥发性的中间体，再改变条件使原来的材料重新形成的过程。5.溶胶凝胶法：是通过凝胶前驱体的水解缩聚制备金属氧化物材料的湿化学方法。6.自蔓延高温合成法：是利用反应物间化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术。三简答题1.何为化学气相沉积法？简述其应用及分类。答：1）化学气相沉积法（CVD）是指通过气相化学反应生成固态产物并沉积在固体表面的方法。 2）CVD法可用于制造覆膜、粉末、纤维等材料，它是半导体工业中应用最为广泛的沉积多种材料的技术，包括制造大范围的绝缘材料、大多数金属材料和合金材料。2. 简述溶胶凝胶法的原理及优、缺点。答：1）溶胶凝胶法的原理：溶胶凝胶法一般以含高化学活性结构的化合物（无机盐或金属醇盐）为前驱体（起始原料），其主要反应步骤是先将前驱体溶于溶剂（水或有机溶剂）中，形成均匀的溶液，并进行水解、缩合，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构，网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过后处理（如干燥、烧结固化）可制备出所需的材料。2） 溶胶凝胶法的优缺点：优点：a.由于溶胶凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中形成低黏度的溶液，因此可在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合；b.经过溶液反应步骤，很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂；c.一般认为溶胶凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散在微米范围内，因此化学反应较容易进行且所需温度较低；d.选择合适的条件可以制备各种新型材料。缺点：a.所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害；b.通常整个溶胶凝胶过程所需时间较长，常需要几天或几周；c.凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。3.简述矿化剂的主要作用。答：1）改变反应机制降低反应活化能； 2）影响晶核的生成速率； 3）影响结晶速率及晶格结构； 4）降低系统的共熔点，改善液相性质等。4. 简述自蔓延高温合成的技术类型。答：根据燃烧合成所采用的设备以及最终产物的结构等，可以将SHS分为六种主要技术形式：1）SHS制粉技术；2）SHS烧结技术；3）SHS致密化技术；4）SHS熔铸；5）SHS焊接；6）SHS涂层。5.简述液相骤冷法的特点。答：液相骤冷法的基本特点是先将金属或合金加热熔融成液态，然后通过不同途径使熔体急速降温，降温速度高达105108 oC/s，以致晶体生长来不及成核就降温到原子热运动足够低的温度，从而把熔体中的无序结构“冻结”并保留下来，得到结构无序的固体材料，即非晶或玻璃态材料。样品可制成几微米到几十微米的薄片、薄带或细丝状。第四章 材料的性能1.什么是腐蚀电池？其形成应具备哪些基本条件？答：1）能导致金属腐蚀的原电池称为腐蚀电池。2） 其形成应具备三个基本条件：a. 不同金属或同种金属的不同区域间有电位差存在，且电位差越大，腐蚀越剧烈。较活泼金属的电位较低，成为阳极而遭受腐蚀；较不活泼金属电位较高，作为阴极起传递电子的作用，不受腐蚀。b. 两极材料共处于相连通的电解质溶液中。潮湿的空气因溶解了SO2等酸性气体，而构成了电解质溶液。c. 具有不同电位的金属之间必须有导线连接或直接接触。2. 材料的强度指标有哪些？这些指标各代表什么含义？答：材料的强度指标有、和。在弹性形变阶段，弹性变形的最大值所对应的应力称为弹性极限，用表示。材料的屈服强度（），表示材料开始发生明显塑性形变的抗力。对于没有明显屈服点的材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服强度。值称为材料的抗拉强度，或极限强度，表示材料在载荷作用下发生断裂前的最大应力。值称为材料的断裂应力，表示材料对塑性变形的极限抗力。3. 何为材料的塑性？塑性用何种指标来评定？答：材料的塑性与材料断裂时的拉伸程度有关，可以用伸长率（）和断面收缩率表示（）。将5%的材料称为塑性材料；Zn，CuFe。4.根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，可将固溶体分为置换固溶体、间隙固溶体、缺位固溶体 三种。5.Q235AF表示屈服强度值为235MPa的A级沸腾钢。6.根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将铝合金分为变形铝合金、铸造铝合金 两类。7.冶金的分类方法很多，根据过程性质可分为物理冶金、化学冶金；根据冶金工艺过程不同分为火法冶金、湿法冶金、电冶金。二名词解释1.光电效应：金属在短波辐射照射下能放出电子的现象称为光电效应。2.合金：指由两种或两种以上的金属元素（或金属元素与非金属元素）组成的具有金属性质的物质。3.固溶体：合金在固态下由不同组元互相溶解而形成的相称为固溶体。4.间隙化合物：是由过渡元素与硼、碳、氮、氢等原子直径较小的非金属元素形成的化合物。5.奥氏体：碳在-Fe（晶胞参数a=356pm）中的间隙固溶体。6.马氏体：- Fe中碳含量可达到1.6%的过饱和固溶体。三简答题1.为何晶粒金属的强度和塑性都比粗晶粒高？答：金属在弹性形变时，晶格形状发生暂时的变化，原子间距改变，除去外力后又恢复原状。塑性变形时，晶体内原子沿晶面滑动，除去外力后不复原。钢材是由许多晶粒组成的，晶粒取向和晶粒间的晶界对变形影响很大。滑动一般不易穿过晶界，而在晶界上产生应力集中，这种集中的应力再加上外力，可使相邻并未产生滑动的晶粒开始滑动。这样滑动由少数晶粒传布到整体，不同取向的晶粒相互制约、相互协调，以适应外力的影响。所以晶粒金属的强度和塑性都比粗晶粒高。2. 为何不能在室温下连续地将一块钢锭经多次轧制而制成薄钢板，而必须经过若干次轧制和加温再结晶的重复工序，才能制出合格的钢板？答：经过塑性变形后的金属，由于晶面之间产生滑动、晶粒破碎或伸长等原因，致使金属产生内应力，从而发生硬化以阻止再产生滑动，这使金属的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。硬化的金属结构处于不稳定的状态，有自发地向稳定状态转化的倾向。加热提高温度，原子运动加速可促进这种转化以消除内应力。加热时应力较集中的部位，能量最高，优先形成新的晶核，进行再结晶。经再结晶的金属硬度和强度降低，塑性和韧性提高，使金属恢复到变形前的性能。钢锭经过锻炼轧制，将粗晶粒的结构破碎成小晶粒，同时使原来晶界间的微隙弥合，成为致密的结构，从而大大提高了其机械性能。3. 简述储氢合金的储氢原理。答：在一定温度和压力下，许多金属、合金或金属间化合物与氢能生成金属氢化物。反应过程一般是在吸收少量的氢时，金属、合金或金属间化合物的结构不变，当氢含量提高到一定量时氢与金属、合金或金属间化合物化合生成金属氢化物，如果氢压高，可以形成过饱和氢化物。金属、合金或金属间化合物与氢的反应是可逆过程，改变温度和压力条件可以使金属氢化物释放出氢。储氢材料表面由于氧化膜及吸附其他气体分子，初次使用一般几乎无吸氢能力，或者需经历较长时间。通常要进行活化处理，其工艺是在高真空中加热到300 0C后，通以高纯氢，如此反复数次破坏表面氧化膜并被净化，而获得良好的反应活性。4. 简述形状记忆合金的特征。答：材料在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某数值时，材料会自动回复到变形前原有的形状，似乎对以前的形状仍保持着记忆。第六章 无机非金属材料一填空题1. 典型的无机非金属材料的晶体结构有 AX型晶体、AX2型晶体、A2X3型晶体、ABO3型晶体、AB2O4型晶体、金刚石和石墨的晶体、硅酸盐晶体等类型。2. P2O5、SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3这几种金属氧化物中，酸性最强的是P2O5，碱性最强的是Fe2O3。 3. 陶瓷材料按化学成分分为 氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷 等几种。4. 普通陶瓷是用 黏土(Al2O32SiO2H2O)、长石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)、石英(SiO2)等原料烧制而成。5. 在硅酸盐水泥中有四种矿物质，即硅酸三钙（3CaOSiO2，简写为C3S）、硅酸二钙（2CaOSiO2，简写为C2S）、铝酸三钙（3CaOAl2O3，简写为C3A）、铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3，简写为C4AF）。6. 水泥凝结硬化分为三个阶段，分别是溶解期、胶化期、硬化期（结晶期）。二简答题1.无机非金属材料的结合键包括几类？由它们组成的材料性能有何区别？答：1）无机非金属材料的结合键包括共价键和离子键两类； 2）键的比例对性能具有决定性作用，由于二者具有相对高的能量，其混合键的键能也比较大，一般为100-500 kJ/mol（金属为60-250 kJ/mol），从而给无机非金属材料带来熔点高、硬度高、脆性大、透明度高、导电性低的性质特点。2. 试画出NaCl晶体结构原子空间分布图。3. 试描述无机非金属材料的各种性能。答：1）热力学性能：与金属材料和高分子材料相比，耐高温是陶瓷材料的优异特性之一；2） 力学性能：与金属材料相比，无机非金属材料由于化学键多为离子键和共价键，键能高且键具有明显的方向性，所以晶体结构复杂，其弹性、硬度、塑性、强度、断裂和冲击性能等与金属材料差异较大；3） 电学性能：金属能导电，主要是其具有核外自由运动的自由电子，而无机非金属材料一般都不具有自由电子，所以导电性较差，那意味着此类材料多为良好的绝缘体；4） 磁学性能：无机非金属材料具有强磁性、高电阻和低松弛损失等特性，将其用于电子技术中的高频器件比用磁性金属优越；5） 光学性能：无机非金属材料光学性能具有多样性和复杂性，主要包括对光的折射、反射、吸收、散射和透射，以及受激辐射光放大的特性等多方面；6） 化学性能：无机非金属材料多由氧化物组成，随着其键合力的增加而酸性越强，碱性越弱。4. 陶瓷材料都包括哪些陶瓷？其性能、应用有何区别？答：1）氧化物陶瓷：种类繁多，在陶瓷家族中占有非常重要的地位，最常用的氧化物陶瓷有Al3O2、SiO2、ZrO2、MgO、CeO2、CaO2、Cr2O3、莫来石（Al3O2SiO2）和尖晶石（MgAl2O4）等，陶瓷中的Al3O2和SiO2相当于金属材料中的钢铁和铝合金一样受到广泛应用：2） 碳化物陶瓷：一般具有比氧化物更高的熔点，最常用的是SiC、WC、B4C、TiC等，碳化物陶瓷在制备过程中需要气氛保护；3） 氮化物陶瓷：应用最广泛的是Si3N4，其具有优良的综合力学性能和耐高温性能，另外，TiN、BN、AlN等氮化物陶瓷的应用也日趋广泛；4） 硼化物陶瓷：应用并不广泛，主要是作为添加剂或第二相加入其它陶瓷基体中，以达到改善性能的目的。5. 水泥水化硬化过程如何？答：水泥的水化硬化过程：3CaOSiO2 +H2O 2CaOSiO2（-1）H2O + Ca(OH)22CaOSiO2 +H2O 2CaOSiO2H2O3CaOAl2O3 + 6H2O 3CaOAl2O36H2O4CaOAl2O3Fe3O4 + 7H2O 3CaOAl2O36H2O + CaOFe3O4H2O6. 功能陶瓷都包括哪些陶瓷？分别描述其性能特点。答：1）半导体陶瓷：其为导电性能介于导体和绝缘体之间的一类陶瓷，种类繁多。当温度、湿度、电场、光等其中一个条件发生变化时，导电性会产生变化，相应的称为热敏、湿敏、磁敏、光敏等半导体类陶瓷。主要用于自动控制的传感器，某些也可利用电阻特性作为高温发热元件或导电原件；2） 压电陶瓷：在石英、钛酸钡、锆钛酸铅（PZT）及锆钛酸铅镧（PLZT）等物质的两界面上加一定的电压，将产生一定的机械变形，如电压为交变电压，这些物质则相应产生交变振动，且这种过程具有可逆性，这种现象称为压电效应。利用正、逆压电效应可实现机械能和电能的相互转换，如常见的燃气及气体打火机点火器、音乐卡及手机中的电声喇叭、医疗及工业用的超声检测仪探头及其他换能器等电器元件都有压电陶瓷的应用；3） 磁性陶瓷：在磁场中能被强烈磁化的陶瓷称为磁性陶瓷。其中铁酸盐的磁性陶瓷称为铁氧体。软磁材料是那些易于反复磁化的材料，其磁导率高，但磁矫顽抗力小，电动机、变压器的硅钢片都是典型的软磁材料。软磁铁氧体包括Mn-Zn、Fe-Si、Fe-Ni、Ni-Zn系铁氧体，主要用于感应铁心、电视机显像管偏转线圈及行输出变压器。硬磁材料与软磁材料正好相反，在磁场中难以被磁化，并在撤去磁场后仍保持高的剩余磁化强度。主要包括钡和锶的铁氧体和稀土磁体，其中稀土钕-铁-硼磁体为目前最强磁性的永磁材料，用于制造器件可大大降低重量和尺寸，这对于航空航天工业具有重要的意义。其已广泛用于扬声器、永磁发电机和电动机，及各种磁性仪器仪表。4）生物陶瓷：生物陶瓷在人体内化学稳定性好，组织相容性好，无各种排异现象，其抗压强度高，易于高温消毒，是牙齿、骨骼、关节等硬组织良好的置换修复材料，但脆性大、成形加工较难是其主要缺点。