第二章 材料的结构 中英文对照答案.docx

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第二章材料的结构中英文对照答案

第二章材料的结构

Chapter2Structureofmaterials

1.原子间的结合键共有几种？

各自特点如何？

Howmanykindsofbindingbondsamongatoms?

Whataretheircharacteristics?

原子间的结合键共有5种，分别是金属键、离子键、共价键、氢键和范德华键。

Therearefivekindsofbindingbondsamongatoms,namely,metallicbond,ionicbond,covalentbond,hydrogenbondingandvanderWaalsbond.

1）金属键是金属中的正离子和自由电子之间形成的键合。

其特点是电子共有化，可以自由流动。

金属键无方向性和饱和性。

金属键合力较强，键能为几百kJ/mol。

Metallicbondisformedbetweenthepositiveionsandfreeelectrons.Metalbondischaracterizedbymanysharableelectronsandfreemobileelectrons.Itisnondirectionalandunsaturated.MetalBindingforceinmetalbondisstrongandthebondenergymayuptohundredsofkJ/mol.

2）离子键是正负离子之间由于静电吸引而形成的键合，离子键无方向性也无饱和性，配位数高。

离子键具有较强的键合力，键能为几百到几千kJ/mol。

Ionicbondisformedthroughelectrostaticattractionbetweenoppositelychargedions.Itisnondirecitonalandunsaturated.Ithashighcoordinationnumber,andthebondforcemayuptoseveralhundredstothousandsofkJ/mol.

3）共价键是原子间共用电子对而形成的键合，有方向性和饱和性，配位数低。

共价键的键强度较高，键能通常为几百kJ/mol。

Covalentbondisformedbysharingofpairsofelectronsbetweenatoms.Itisdirectionalandsaturated.IthassmallcoordinationnumberandthebondenergyisseveralhundredsofkJ/mol.

4）氢键是由氢原子与电负性较大的原子之间形成的X—H…Y的键合。

具有方向性和饱和性。

氢键的键合较弱，一般为几十kJ/mol，但是对材料性能的影响较大。

HydrogenbondisformedbetweenhydrogenatomandtwoelectronegativeatomssuchasN—H…O.Itisdirectionalandsaturated.Thehydrogenbondisweak,anditisonlydozensofkJ/mol，butishasmuchinfluenceonthematerials’properties.

5）范德华键是分子间形成的一种作用力，其键能很弱，为几到几十kJ/mol。

不具有方向性和饱和性。

作用范围在几百个皮米之间。

它对材料的沸点、熔点、汽化热、熔化热、溶解度、表面张力、粘度等物理化学性质有决定性影响。

ThevanderWaalsforceisthesumofattractiveorrepulsiveforcesbetweenmolecules.ItisweakandthebondenergyisseveraltodozensofkJ/mol.ThevanderWaalsforceisnondirectionalandunsaturated,andtherangeoftheforceisonlyseveralhundredsofpicometers.Ithasmuchinfluenceonmaterial’sboilingpoint,meltingpoint,heatofvaporizationandfusion,solubility,surfacetension,viscosityandotherphysicalandchemicalproperties.

2.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？

Whythestructureofmetallicsinglemattercanbeconsideredastheclose-packedaccumulationofballswithequalradius?

答：

金属键是由金属阳离子和自由电子形成的结合键，它既无方向性，也无饱和性。

因此，金属晶体中的原子不存在受临近质点的异号电荷限制和化学量比的限制，在一个金属原子的周围可以围绕着尽可能多的又符合几何图形的临近原子。

这样的结构由于充分利用了空间，从而使体系的势能尽可能降低，使体系稳定，故金属晶体具有较高的配位数。

综合以上原因，可将金属单质的结构问题归结为等径圆球的密堆积问题。

Metallicbondisformedbetweenthepositivemetallicionsandfreeelectrons.Itisnondirectionalandunsaturated.Therefore,theatomsinmetalarenotlimitedbytheoppositechargesonneighboringparticlesorbystoichiometricratio. Atomscan be around asmanyaspossible around ametal atom.Insuchastructure,thespaceisfullyutilized,soastominimizethepotentialenergyofthesystem,sothesystemisstable,andthemetalcrystalsalwayshavehighcoordinationnumber.Forthesereasons,thestructureofmetallicsinglemattercanbeconsideredastheclose-packedaccumulationofballswithequalradius?

3.计算体心立方结构和六方密堆结构的堆积系数。

Pleasecalculatetheaccumulationfactorofbody-centeredcubicandhexagonalclose-packedstructure.

1）体心立方结构2）六方密堆结构

1）body-centeredcubic2）hexagonalclose-packedstructure

4.试确定简单立方、体心立方和面心立方结构中原子半径和点阵参数之间的关系。

Pleasedeterminetherelationshipbetweentheatomicradiusandlatticeparameterinsimplecubic,body-centeredcubicandface-centeredcubicstructure.

1）简单立方结构

a=b=c=2Ra===90°

2）体心立方结构

如题3的图，

则a=b=c=2.309a===90°

3）面心立方结构

点阵参数为a=b=c=2.829a===90°

5.金属铷（Rb）为A2型结构，Rb的原子半径为0.2468nm，密度为1.53g/cm3，试求晶格参数a和Rb的相对原子质量。

Structureofrubidium（Rb）belongstoA2-type,theatomicradiusofRbis0.2468nm,thedensityis1.53g/cm3,pleasecalculatedthelatticeparameteraandtherelativeatomicmassofRb.

答：

A2型结构为体心立方结构，

则a=（4/1.732）×R＝0.57nm镍的晶格参数为a=b=c=0.57nma===90°

单位晶胞原子数为2

设其相对原子质量为Mg/mol，则ρ＝m/V=（2/NA）×M/VNA=6.02×1023个/mol

V=a3=（0.57nm）3已知ρ＝1.53g/cm3

代入得M=85.3g/mol

Answer:

A2typestructureisbody-centeredcubic,asshowninthefigure.Fromthefigure,wecangetthata=（4/1.732）×R＝0.57nm.Thenumberofatomsinunitcellis1+8×（1/8）=2.Accordingtotheformulaρ＝m/V=（2/NA）×M/V,andasisknown,NA=6.02×1023个/mol,V=a3=（0.57nm）3,ρ＝1.53g/cm3,soM=85.3g/mol,thatistosay,therelativeatomicmassofRbis85.3g/mol.

6.FCC结构的镍原子半径为0.1243nm，试求镍的晶格参数和密度。

RadiusofNiatominFCCstructureis0.1243nm,pleasecalculatethelatticeparameteranddensityofNi.

答：

FCC为面心立方结构，其中

已知R＝0.1243nm

则a=0.3516nm

镍的晶格参数为a=b=c=0.3516nma===90°

镍的原子量为59g/mol单位晶胞原子数为6×1/2＋8×1/8＝4NA＝6.02×1023个/mol

则密度为ρ＝m/V=[（4/NA）×59g/mol]/a3=9.02g/cm3

Answer：

Asweknown,FCCisface-centeredcubicstructure,so

=0.3516nm,sothelatticeparameterofNiarea=b=c=0.3516nm,a===90°.Asyouknown,theatomicmassofNiis59g/mol,andthenumberofunitcellis6×1/2＋8×1/8＝4,NA＝6.02×1023个/mol,soρ＝m/V=[（4/NA）×59g/mol]/a3=9.02g/cm3.

7.铀具有斜方结构，其晶格参数为a=0.2854nm，b=0.5869nm，c=0.4955nm；其原子半径为0.138nm，密度为19.05g/cm3。

试求每单位晶胞的原子数目及堆积系数。

答：

斜方结构是指正交点阵结构，其特点为a≠b≠c，a===90°没有指明是简单、底心、体心还是面心？

所以要根据计算得到的单位晶胞原子数来确定。

查表得到铀的原子量M＝238g/mol

设单位晶胞原子数为n，则单位晶胞的质量为m=（n/NA）×M已知晶胞的体积V＝abc

密度ρ＝19.05g/cm3根据ρ＝m/V计算的n=4为面心斜方结构

已知原子半径R＝0.138nm则堆积系数ξ＝nVatom/Vcell=4×[（4/3）πR3]/abc=0.531

8.6个O2-环绕一个Mg2+，将离子看成硬球，其半径分别是rO2-=0.140nm，rMg2+=0.066nm，试求O2-之表面间距离。

待定

9.已知金属镍为A1型结构，原子间接触距离为249.2pm，请计算：

1）Ni立方晶胞的参数；2）金属镍的密度；3）分别计算（100），（110），（111）晶面的间距。

答：

1）根据原子间接触距离为249.2pm可知，2R=249.2pm，得R=124.6pm，晶胞参数的计算见第6题。

2）密度的计算见第6题。

3）立方晶系的晶面间距为

其中h,k,l分别为相邻晶面的米勒指数，据此可得各晶面的晶面间距为：

d100=a0=0.3524nmd110=0.2492nmd111=0.2035nm

10.试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁时出现的体积变化。

在转变温度下，体心立方铁的晶格参数是0.2863nm，而面心立方铁的点阵参数是0.3591nm。

Pleasecalculatethevolumechangeofironwhenitwasheatedandchangefrombody-centeredcubictoface-centeredcubic.Asisknown,underthetransitiontemperature,thelatticeparameterofBCCis0.2863nm,whilethatofFCCis0.3591nm.

更正后的正确答案答：

根据体心立方和面心立方结构中，半径与晶胞参数关系的不同，可知，铁原子的半径是会变化的，根据“体心立方铁的晶格参数是0.2863nm，而面心立方铁的点阵参数是0.3591nm。

”这个条件，可以计算出体心立方时，铁原子的半径为0.124nm，面心立方时为0.127nm。

据此数据得到的堆积系数与我们之前学过的内容是相符的。

试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁时出现的体积变化。

体心立方铁的体积应为2×（4/3）×π×（0.124）3＝0.01597nm3

面心立方铁的体积应为4×（4/3）×π×（0.127）3＝0.03432nm3

故，体心立方铁受热而变为面心立方铁时，体积膨胀了0.01835nm3

体心立方铁的单位晶胞原子数为2则其原子堆积系数为ξ体＝2×（4/3）×πR3/（a体）3＝0.714则此时晶胞的空隙率为1－0.714=0.286=28.6%

面心立方铁的单位晶胞原子数为4则其原子堆积系数为ξ面＝4×（4/3）×πR3/（a面）3

＝0.724则此时晶胞的空隙率为1－0.724=0.276=27.6%

所以，体心立方铁受热而变为面心立方铁时体积膨胀了1％。

Answer:

accordingtothedocument,theradiusofFeatomis0.126nm.IntheBCCstructure,thenumberofunitcellis2,sotheatomicaccumulationfactorisξ体＝2×（4/3）×πR3/（a体）3＝0.714,here,theporosityofthecellis1－0.714=0.286=28.6%.IntheFCCstructure,thenumberofunitcellis4,sotheatomicaccumulationfactorisξ面＝4×（4/3）×πR3/（a面）3＝0.724,here,theporosityofthecellis1－0.724=0.276=27.6%.28.6%－27.6%＝1％Therefore,thevolumeofironincreasefor1%whenitwasheatedandchangefrombody-centeredcubictoface-centeredcubic.

11.单质锰有一种同素异形体为立方结构，其晶胞参数为0.6326nm，密度ρ＝7.26g/cm3,原子半径r=0.112nm，计算Mn晶胞中有几个原子，其堆积系数是多少？

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=0.6326nm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＝0.112nm则堆积系数ξ＝nVatom/Vcell=20×[（4/3）πR3]/a3=0.465

12.固溶体与溶液有何异同？

固溶体有几种类型？

Whataredifferencesbetweensolidsolutionandsolution?

Givethetypesofsolidsolution.

答：

固溶体：

是指一种或多种溶质组元溶入晶态溶剂并保持溶剂的晶格类型所形成的单相晶态固体。

两组元在液态下互溶，固态也相互溶解，且形成均匀一致的物质。

有置换型固溶体和间隙型固溶体两种类型。

溶液：

是一种或几种物质分散到另一种物质里，形成的均一的、稳定的混合物。

溶液各处的组成和性质完全一样；温度不变，溶剂量不变时，溶质和溶剂长期不会分离。

一般包括气体溶液、固体溶液（固溶体）、液体溶液。

Answer:

Solidsolutionreferstosingle-phasecrystallinesolidformedbyoneormorevarietyofsoluteelementsintegratedintocrystallinesolventandremainthestructureofsolvent.Twogroupsaremisciblebothinliquidandsolidstate,theyformhomogeneoussubstance.Therearetwotypesofsolidsolution,theyaresubstitutionalsolidsolutionandinterstitialsolidsolution.

Solutionisahomogeneousandstablemixtureformedbyoneorseveralsubstancesdispersedintoanothersubstanceatmoleculeorionicform.Theyhavethesamecomponentandproperty.Whenthetemperatureandquantityofsolventareconstant,soluteandsolventcannotseparatefromeachotherforalongtime.Generally,solutionincludesgassolution,solidsolution（solidsolution）,andliquidsolution.

13.试述影响置换型固溶体固溶度的因素。

答：

1）离子半径当溶质和主晶体的原子半径相对差值超过14%～15%时，尺寸因素不利于固溶体的生成，两固体间的固溶度是很有限的。

离子尺寸相近时，生成连续固溶体。

随着离子尺寸差值的增大，固溶度下降，生成化合物倾向增大。

1）Atomicradius.Whentherelativeradiusdifferenceofmaincrystalatomandsoluteismorethan14%to15%,itisnotfavorabletoformsolidsolution,thesolidsolubilityofthetwosubstanceisverylimited.Whentheyhavesimilarradius,theywillformcontinuoussolidsolution.Withtheincreaseoftheradiusdifference,thesolidsolubilitydecreased,thereisatendencytoformcompound._______________________________________________________________________________________________________________________________

2）离子价离子价对固溶体的生成有明显的影响。

两种固体只有在离子价相同或同号离子的离子价总和相同时，才可能满足电中性的要求，生成连续固溶体。

在异价置换的系统里，一般来说，随着离子价差别的增大，固溶度降低，中间化合物的数目增多。

2）ValenceThevalencehasasignificantimpactontheformationofsolidsolution.Onlywhenthetwosolidhasthesamevalenceorthesamesumofpositiveornegativevalence,cantheymeettherequirementofelectricallyneutral,andwilltheyformacontinuoussolidsolution.Inasystemofionicreplacementwithdifferentvalenceion,ingeneral,withtheincreaseofthevalencedifference,thesolidsolubilitydecrease,andthenumberofintermediatecompoundsincrease.

14.说明下列符号的含义。

Pleaseexplainthemeaningofthefollowingsymbols.

Na+格点位置的空位，带一个负电荷

VacancyoflatticesiteofNa+,haveonenegativecharge.