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1、1 材料科学导论第材料科学导论第 1 次作业答案次作业答案 20132014 学年春季学期学年春季学期 1、求质量为 10g 的 Al 材料中所包含的价电子数。已知 Al 的原子量为 27 2、分别简述形成离子键、共价键和金属键的条件和特点及其对材料性能的影响。 3、根据电负性数据预测下列材料最可能的一次键。(a)Cu; (b)KCl; (c)Si; (d) CdTe 4、试计算 MgO 和 GaAs 晶体的化学键中离子键成分为多少？已知 Mg、O、Ga 和 As 的电负性分别为：1.3、3.5、1.6 和 2.0。 5、Na 的熔点为 89oC ，K 的熔点为 63.5oC, Ti 的熔点为
2、 1660 oC,试从电子结构 差别进行解释说明？ 6、已知 C 原子的核外电子数有 6 个，试写出各个电子运动的四个量子数。 7、请写出 22Ti 的核外电子填充过程。 8、 原子序数为 12 的 Mg 有三种同位素： 78.70%的 Mg 原子有 12 个中子， 10.13% 的 Mg 原子有 13 个中子，11.17%的 Mg 原子有 14 个中子，试计算 Mg 的原 子量。 9、试计算原子 N 壳层内的最大电子数。若 K、L、M 和 N 壳层中所有能级都 被填满，试确定该原子的原子数。 10、简述范德华力的组成及其特性。 11、试说明原子的几种结合力，比较它们之间的大小。 12、根据化
3、学组成不同简述工程材料的主要分类？ 13、 材料科学与工程研究的主要内容和相互关系？试用四面体表示其主要内容之 间的相互关系 2 第一次作业答案第一次作业答案 1、 答： 10 n0.3704 mol 27 （） 原子个数： 2323 n0.3704 6.02 102.23 10 A NN 价电子数： 2323 33 2.23 106.69 10AN 2、 答： 离子键： 形成条件：金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的 正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，正负离子依靠它们之 间的静电引力结合在一起形成离子键。 特点：以离子为结合单元，作用力强，而
4、且随距离的增大减弱较慢；无方向性、无 饱和性。 对材料性能的影响：在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好 的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，此时 即呈现离子导电性。 共价键： 形成条件：由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成。 特点：具有方向性和饱和性 对材料性能的影响：共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点，共价结合的 材料一般都是绝缘体，其导电能力较差。 金属键： 形成条件：金属原子最外层电子数很少，原属于各个原子的价电子极易挣脱原子核 的束缚而成为自由电子，并在整个晶体内运动，而形成电子云，金属中的自由电子与金 属
5、正离子相互作用形成金属键。 特点：电子共有化，无方向性和饱和性。 对材料性能的影响：良好的导热性和导电性、良好延展性和金属光泽。 3、 答：(a)金属键 XCu=1.9 (b)离子键 XCl-XK=3.0-0.8=2.21.7; (c) Si-共价键：Si-Si (d)共价键 XTe-XCd=2.1-1.7=0.4共价键共价键金属键金属键氢键氢键范德华范德华(Van der Waals)力力 12、根据化学组成不同简述工程材料的主要分类？ 答：金属材料，非金属材料，高分子材料，复合材料 13、 材料科学与工程研究的主要内容和相互关系？试用四面体表示其主要内容之 间的相互关系 答：材料科学与工程
6、（MSE）的主要内容（四大要素）是：材料的组成和结 构、材料的合成与制备、材料的性能和材料的使用效能。在材料科学与工程学科 中，材料的组成、结构和合成制备是材料性能的基础；而在特定使用环境下上述 三者共同表现出材料的使用效能和性价比。 5 材料科学导论第二次作业答案材料科学导论第二次作业答案 2013-2014学年春季学期学年春季学期 1、试绘图说明四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型。 2、从内部原子排列和性能上看，非晶态和晶态物质主要区别何在？ 3、 计算简单立方、体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数和 原子堆积系数。 4、面心立方晶胞中的四面体和八面体空隙数各有多少
7、个？请写出面心立方晶胞 中所有四面体空隙中心位置的坐标。 5、试计算体心立方结构铁（Fe）元素的密度,已知其晶胞参数为0.2866nm，其原 子量为55.874。 6、 （1）请画出金刚石的晶体结构并计算其晶胞原子堆积系数。 （2）金刚石为碳 的一种晶体结构，其晶格常数a=0.357nm，当它转换成石墨(=2.25g/cm3) 结构 时，求其体积改变百分数？ 7、根据以下结构计算CsCl的理论密度。已知Cs和Cl的原子量分别为132.9和 35.45，Cs 和 Cl 的半径分别为 0.167nm和0.181nm。 8、Mn的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为0.632nm，为7.26g/c
8、m3， r为0.112nm，问Mn晶胞中有几个原子，其致密度为多少？ 9、由于H原子可填入-Fe的间隙位置，若每200个铁原子伴随着一个H原子， 试求-Fe理论和实际密度与致密度（已知-Fe 为体心立方结构a=0.286nm， rFe=0.1241nm， rH=0.036nm） 。 10. 写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。 Cs Cl 6 11. 在立方晶系中画出(a) 121 方向和(b) 210晶面。 12. 写出立方晶系的110晶面族和晶向族中的全部等价晶面和等价晶向 的具体指数。 13. 标注出下图所示立方晶胞（a）中的各晶面和（b）中的各晶向指数。 (a) (b)
9、14. 标注出下图所示六方晶胞（a）中的各晶面和（b）中的各晶向指数。 (a) (b) a 2 1 a 2 1 x y z o x y z o 7 材料科学导论第二次作业答案材料科学导论第二次作业答案 20132014学年春季学期学年春季学期 1、答： 假设存在面心立方，则可将其晶胞分割成体心四方的晶胞； 假设存在底心立方，则可将其晶胞分割成简单四方的晶胞。 而简单四方和体心四方的晶胞不能相互转化，因此四方晶系中只有简单 四方和体心四方两种点阵类型。 2、答： 从内部原子上看，晶体都有自己独特的、呈对称性的形状，而非晶体的外形 则是不规则的。非晶态物质中原子的排列具有近程有序、长程无序的状态。
10、对晶 态物质，原子在空间按一定规律作周期性排列，是高度有序的结构，这种有序结 构原则上不受空间区域的限制，故晶态物质的有序结构称为长程有序。 具有长程有序特点的晶态物质，宏观上常表现为物理性质（力学的、热学的、 电磁学的和光学的）随方向而变，称为各向异性，熔解时有一定的熔解温度并吸 收熔解潜热。 3、答： 简单立方、体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数和堆积密度 分别为：简单立方：原子数 1，配位数 6，堆积密度 52.3%； 体心立方：原子数 2，配位数 8，堆积密度 68.0%； 面心立方：原子数 4，配位数 12，堆积密度74.0%； 密排六方：原子数 6，配位数 12，堆
11、积密度74.0%。 4、答： 面心立方晶胞中的四面体和八面体空隙数分别为 8 个和 4 个。 面心立方晶胞中所有四面体空隙中心位置的坐标分别为： ( 4 1 , 4 1 , 4 1 )； ( 4 3 , 4 1 , 4 1 )，( 4 1 , 4 3 , 4 1 )， ( 4 1 , 4 1 , 4 3 )； 8 ( 4 3 , 4 3 , 4 1 )，( 4 3 , 4 1 , 4 3 )， ( 4 1 , 4 3 , 4 3 )； ( 4 3 , 4 3 , 4 3 )。 5、试计算体心立方结构铁（Fe）元素的密度,已知其晶胞参数为0.2866nm，其原 子量为55.874。(假设告诉Fe
12、的原子半径该如何求？) 答： A = 55.874 g/mol a = 0.2866 nm n = 2 =255.874/(0.286610-7cm)36.021023 =7.89(g/cm3) 6、 （1）请画出金刚石的晶体结构并计算其晶胞原子堆积系数。）请画出金刚石的晶体结构并计算其晶胞原子堆积系数。 （2）金刚石为碳的一种晶体结构，其晶格常数）金刚石为碳的一种晶体结构，其晶格常数a=0.357nm，当它转换成石墨，当它转换成石墨( =2.25g/cm3) 结构时，求其体积改变百分数？结构时，求其体积改变百分数？(金刚石中 C-C 键长为 1.55 10-8cm) 答： （1）每个金刚石晶
13、胞中含有 8 个 C 原子； 每个碳原子的配位数均为4，即每个碳原子与周围4个 碳原子构成正四面体结构；金刚石属于面心立方点阵，可看 成是两个面心立方晶格沿体对角线方向位移了1/4体对角线 长度后共同嵌套构成的（见右图） 金刚石致密度：金刚石致密度： APF =8V/a3=84/3r3/a3=84/3(3a/8)3 /a3 =0.34 (2) 金刚石的晶体结构为复杂的面心立方结构，每个晶胞共含有 8 个碳原子。 金刚石的密度 ： (g/cm3) 对于 1g 碳，当它为金刚石结构时的体积： (cm3) 当它为石墨结构时的体积： (cm3) 故由金刚石转变为石墨结构时其体积膨胀： 7、根据以下结构
14、计算、根据以下结构计算CsCl的理论密度。已知的理论密度。已知Cs和和Cl的原子量分别为的原子量分别为132.9 和和35.45，Cs 和 和Cl 的半径分别为 的半径分别为0.167nm和和0.181nm。 9 答：答： CsCl中中离子半径之比为 0.167/0.181=0.92265，其晶体结构如图所示。从图中可 知，在 方向离子相接处，方向不接触。每个晶胞有一个 Cs+和一个 Cl-，的配位 数均为 8。 8、Mn的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为0.632nm，为，为7.26g/cm3， r为为0.112nm，问，问Mn晶胞中有几个原子，
15、其致密度为多少？晶胞中有几个原子，其致密度为多少？ 答：答： =nM/a3=n54.94/(0.63210-7cm)36.0231023=7.26(g/cm3) 可知:n = 20 K=nV/a3=204/3(0.112)3/0.6323=0.466 9.由于由于H原子可填入原子可填入 -Fe的间隙位置，若每的间隙位置，若每200个铁原子伴随着一个个铁原子伴随着一个H原子， 试求 原子， 试求 -Fe理论和实际密度与致密度（已知理论和实际密度与致密度（已知 -Fe 为体心立方结构为体心立方结构a=0.2866nm， rFe=0.1241nm， rH=0.036nm，MFe=55.874） 。） 。 答：理论密度： 22 23 6 A -9 329 M 55.874 2 2 N1.8563 10 6.02 10 =7.885 10 V0.2866 102.354 10 （） （g/m3） 实际密度： H Fe 22 23 6 A -9 329 M 2M 1002 55.874+0.01 N1.8564 10 6.02 10 =7.886 10 V0.2866 102.354 10 （） （g/m3） 10 理论致密度： 3-9 3 Fe 3-9 3 48 2r(0.1241 10 ) 0.01601 33 K=0.6845 a(0
