1、 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 J K-1 。 2.麦克斯韦关系式为 pSTVpS 、 SVTpVS 、TVSpVT 、pTSVpT 。 3.偏摩尔吉布斯函数又称 化学势 ，定义为 , CBB B T p nGG n 。 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
2、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
3、 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
4、离其平衡电势 e ，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
5、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(
6、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 100298 l n l n 8.31 4 298 l n 0100COrm pG K R T K R T p 2 100140 0 l n l n 8.31 4 140 0 l n 0100COrm pG K R T K R T p 2.已知反应 12 H2(g)+12 Cl2(g)=HCl(g)， rHm =-92.2kJ mol-1，在 298K时， K =4.86 1016，试计算 500K 时该反应的 K 和 rGm 。 解：由范特霍夫方程 21 2 111ln rmHKK R T T 即
7、3216 9 2 .2 1 0 1 1ln 4 .8 6 1 0 8 .3 1 4 5 0 0 2 9 8K ，得 232 1.644 10K 23l n 8. 31 4 50 0 l n 1. 64 4 10 / 22 2. 20 9 /rmG R T K J m ol k J m ol 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1/2 ln2At k，反应为一级反应。速率方程为 AAAdc kcdt1 1 1 11212l n 2 l n
8、 2 l n 2 l n 20 .1 7 3 , 0 .0 1 44 4 8k s s k s stt 由阿仑尼乌斯方程 21 1 211ln aEkk R T T 即 0 .0 1 4 1 1ln0 .1 7 3 8 .3 1 4 3 0 1 2 7 8aE ，得 75.163 /aE kJ mol 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.P
9、ECVD 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
10、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。
11、 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
12、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
13、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
14、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？
15、 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 e 、 0.2s 、 b 和 k 。 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e 表示。 材料的屈服强度（ s ），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 0.2 为其屈服强度。 b 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。 k 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？
