材料化学李奇陈光巨习题解答全

《材料化学李奇陈光巨习题解答全》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料化学李奇陈光巨习题解答全（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、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

2、个关系： 点阵结构点阵结构基元 点阵点阵结构结构基元 2、下图是一个伸展开的聚乙烯分子，其中CC 化学键长为 1.54。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21.54sin(109.5 /2)=2.51 3、由X射线法测得下列链型高分子的周期如下，试将与前题比较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2.52 ，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

3、5.1 ，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4.7 比聚乙烯大的多，而接近于聚氯乙烯的链周期为5.1 ，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石墨分子如图所示的无限伸展的层形分子请从结构中引出点阵结构单位来，已知分子中相邻原子间距为1.42，请指出正当结构单位中基本向量a和b的长度和它们之间的夹角。每个结构单位中

4、包括几个碳原子？包括几个C-C化学键? 解：点阵结构单元为 ，基本向量长度2.41，基本向量之间夹角120，每个结构单元中包含2个碳原子，包含三个C-C化学键。 5试叙述划分正当点阵单位所依据的原则。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则是：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）若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

5、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，将破坏直角的规则性，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，包含等同内容的基本单位。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 C 8 立方面心NaCl Na+与Cl - Na+：4 ，Cl -： 4 立方面心CsCl Cs+与Cl - Cs+：1

6、，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=4.58 ，c=2.98 ，=90,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 *c1/2，得d(0.31-0) 2 *a +(0.31-0)2 *a +(0-0)2 *c1/2 0.31 *21/2 *4.58 2.01 9.什么叫晶面指标，标出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

7、平面点阵面与晶轴的取向关系的参数。 第二章1、天然或绝大部分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Ni 2+空缺，另有两个Ni 2+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Ni 3+与Ni 2+的离子数之比。解：设晶体中Ni 3+的离子数为 a，Ni 2+的离子数为b。根据题意： 答：该晶体中Ni 3+与Ni 2+的离子数之比为 6：91。 2、已知氧化铁Fe x0(富士体)为氯化钠型结构，在实际晶体中，由于存在缺陷，x1。今有一批氧化铁，测得其密度为5.7g/cm

8、3，用MoK 射线（=71.07pm）测得其面心立方晶胞衍射指标为200的衍射角=9.56（sin=0.1661,Fe的相对原子质量为55.85）。 （a）计算Fe x0的面心立方晶胞参数。 （b）求x值。 （c）计算Fe 2 +和Fe 3+各占总铁质量的质量分数。 （d）写出表明铁的价态的化学式。 解：（a） （c）设0.92mol铁中Fe 2 +的摩尔数为y，则Fe 3+的摩尔数为（0.92-y），根据正负离子电荷平衡原则可得： 即Fe 2+和Fe 3+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

9、气中加热，部分Ni 2+将氧化为Ni 3+，成为NixO(x1)。今有一批Ni xO，测得其密度为6.47，用波长=154pm的X射线通过粉末法测得立方晶胞111衍射指标的=18.71（sin=0.3208）。（Ni的相对原子质量为58.70） 1molg（a）计算Ni xO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Ni xO晶体中，O 2-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Ni xO晶体中，Ni-Ni间最短距离是多少？ 解：（a）Ni xO的立方晶胞参数为： （b）因为Ni xO晶体为NaCl型结构，可得摩尔质量M：

10、 而Ni xO的摩尔质量又可以表示为： 由此解得：x=0.92。 设0.92mol镍中有y mol Ni2+，则有（0.92-y）mol Ni3+。根据正负离子电荷平衡原则，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，则O 2-2-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O 2-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

11、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SiO 2的结构是由1932年Zachariasen提出的无规则网络学说，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SiO 44-四面体），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，连结成很不规则的三维网络。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： 没有固

12、定的熔点 各向同性 内能高 没有晶界 无固定形态 性能可设计性 6、试述晶子学说与无规则网络学说的主要观点，并比较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。 无规则网络学说：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SiO 44-四面体），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，连结成很不规则的三维网络。此结构缺少对称性或长

13、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2.5.2。 7、钾玻璃中K 2CO3质量分数为18.4%，CaCO 3质量分数为11.0%、SiO 2质量分数为70.6%。计算三种氧化物的物质的量之比。若需制造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，则 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。 若

14、制造5.1t钾玻璃则需用 K2CO3 5.10.184=0.94t CaCO3 5.10.11=0.561t SiO2 5.10.706=3.6t 8、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，部分熔融成玻璃态，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

15、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较小，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较自由的运动，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

16、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，他们的电子分布基本上是球形对称的；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、试比较A1和A3型结构的异同，指出A1和A3型结