上海交通大学材料科学基础习题与重点.docx

上海交通大学材料科学基础习题与重点.docx

《上海交通大学材料科学基础习题与重点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《上海交通大学材料科学基础习题与重点.docx（67页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

上海交通大学材料科学基础习题与重点

第一章

习题

1.        原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？

2.        在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？

3.        在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？

从左到右或从上到下元素结构有什么区别？

性质如何递变？

4.        何谓同位素？

为什么元素的相对原子质量不总为正整数？

5.        铬的原子序数为24，它共有四种同位素：

4.31%的Cr原子含有26个中子，83.76%含有28个中子，9.55%含有29个中子，且2.38%含有30个中子。

试求铬的相对原子质量。

6.        铜的原子序数为29，相对原子质量为63.54，它共有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的同位素之含量百分比。

7.        锡的原子序数为50，除了4f亚层之外其它内部电子亚层均已填满。

试从原子结构角度来确定锡的价电子数。

8.        铂的原子序数为78，它在5d亚层中只有9个电子，并且在5f层中没有电子，请问在Pt的6s亚层中有几个电子？

9.        已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？

哪个族？

并判断其金属性强弱。

10.    原子间的结合键共有几种？

各自特点如何？

11.    

图1-1绘出三类材料—金属、离子晶体和高分子材料之能量与距离关系曲线，试指出它们各代表何种材料。

12.    已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：

（a）能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？

（b）必须破坏的共价键之比例为多少？

13.    S的化学行为有时象6价的元素，而有时却象4价元素。

试解释S这种行为的原因。

14.    A和B元素之间键合中离子特性所占的百分比可近似的用下式表示：

这里xA和xB分别为A和B元素的电负性值。

已知Ti、O、In和Sb的电负性分别为1.5，3.5，1.7和1.9，试计算TiO2和InSb的IC%。

15.    Al2O3的密度为3.8g/cm3，试计算a）1mm3中存在多少原子？

b）1g中含有多少原子？

16.    尽管HF的相对分子质量较低，请解释为什么HF的沸腾温度（19.4℃）要比HCl的沸腾温度（-85℃）高？

17.高分子链结构分为近程结构和远程结构。

他们各自包括内容是什么？

18.高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类，试从高分子链结构角度加以解释之。

19.分别绘出甲烷（CH4）和乙烯（C2H4）之原子排列与键合.

20.高密度的聚乙烯可以通过氯化处理即用氯原子来取代结构单元中氢原子的方法实现。

若用氯取代聚乙烯中8%的氢原子，试计算需添加氯的质量分数。

21.高分子材料相对分子质量具有多分散性。

表1-1为聚乙烯相对分子质量分布表

表1-1

分子量范围

（103）

平均分子量Mi

（103）

分子数分数

xi

xiMi

质量分数

wi

wiMi

5~10

7.5

0.05

375

0.02

150

10~15

12.5

0.016

2000

0.10

1250

15~20

17.5

0.22

3850

0.18

3150

20~25

22.5

0.27

6075

0.29

6525

25~30

27.5

0.20

5500

0.26

7150

30~35

32.5

0.08

2600

0.13

4225

35~40

37.5

0.02

750

0.02

750

试计算该材料的数均相对分子质量

，重均相对分子质量

以及数均聚合度nn。

22.有一共聚物ABS（A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯），每一种单体的质量分数均相同，求各单体的摩尔分数。

23.嵌镶金相试样用的是酚醛树脂类的热固性塑料。

若酚醛塑料的密度为1.4g/cm3，试求10cm3的圆柱形试样含的分子量为多少？

24.一有机化合物，其组成的w（C）为62.1%，w（H）为10.3%，w（O）为27.6%。

试推断其化合物名称。

25.尼龙-6是HOCO（CH2）5NH2的缩聚反应的产物。

a）用分子式表示其缩聚过程；b）已知C-O、H-N、C-N、H-O的键能分别为360、430、305、500（kJ/mol），问形成一摩尔的H2O时，所放出的能量为多少？

习题答案

1.主量子数n、轨道角动量量子数li、磁量子数mi和自旋角动量量子数Si。

2.能量最低原理、Pauli不相容原理，Hund规则。

5.Ar=52.057

6.Ar=27%（Cu65）

7.锡的价电子数为4。

11.a:

高分子材料；b:

金属材料；c:

离子晶体

12.原子数=

个价电子数=8.576×1024个

a）

b）

20.  数均相对分子质量

；

重均相对分子质量

；

21.  酚醛单体相对分子质量=112

10cm3圆柱试样的质量M=14（g）

22.CH3COCH3（丙酮）。

物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心的带正电的原子核和核外高速旋转带负电的电子所构成的。

在材料科学中，一般人们最关心的是原子结构中的电子结构。

电子在核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云。

电子既具有粒子性又具有波动性，即具有二象性。

电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。

根据量子力学理论，电子的状态是用波函数来描述的，原子中的一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示：

（1）主量子数n：

决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层；

（2）轨道角动量量子数li：

给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）；

（3）磁量子数mi：

给出每个轨道角动量数的能级数或轨道数；

（4）自旋角动量量子数si：

反映电子不同的自旋方向；

至于在多电子的原子中，核外电子的排布规律则遵循以下三个原则：

（1）能量最低原理：

电子的排布总是先占据能量最低的内层，再由里向外进入能量较高的壳层，以尽可能使体系的能量最低；

（2）Pauli不相容原理：

在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子；

（3）Hund规则：

在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋的方向相同。

当电子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低；

元素周期表反映了元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增呈周期性的变化规律。

可根据元素在周期表中的位置，推断它的原子结构和一定的性质。

原子与原子之间是依靠结合键聚集在一起的。

由于原子间结合键不同，故可将材料分为金属、无机非金属和高分子材料。

原子的电子结构决定了原子键合的本身，原子间的结合键可分为化学键和物理键两大类。

化学键即主价键，它包括金属键、离子键和共价键三种：

（1）金属键：

绝大多数金属均为金属键方式结合，它的基本特点是电子的共有化；

（2）离子键：

大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键方式结合，这种键的基本特点是以离子而不是以原子为结合单位；

（3）共价键：

在亚金属（C、Si、Sn、Ge等）、聚合物和无机非金属材料中共价键占有重要地位，它的主要特点共用电子对。

物理键为次价键，亦称范德华力，在高分子材料中占着重要作用。

它是借助瞬时的、微弱的电偶极矩的感应作用将原子或分子结合在一起的键合。

它包括静电力、诱导力和色散力。

此外还有一种氢键，它是一种极性分子键，存在于HF、H2O、NH3等分子间。

其结合键能介于化学键与物理键之间。

由于高分子材料的相对分子质量可高达几十万甚至上百万，所包含的结构单元可能不止一种，每一种结构单元又具有不同构型，而且结构单元之间可能有不同键接方式与序列，故高分子的结构相当复杂。

高分子结构包括高分子键结构和聚集态结构两方面。

键结构又分近程结构和远程结构。

近程结构属于化学结构，又称一次结构，是指大分子链中原子的类型和排列，结构单元的键接顺序、支化、交联以及取代基在空间的排布规律等。

远程结构又称二次结构，是指高分子的大小与形态，键的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。

重点与难点

1.描述原子中电子的空间位置和能量的四个量子数；

*2.核外电子排布遵循的原则;

*3.元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间的关系；

*4.原子间结合键分类及其特点；

5.高分子链的近程和远程结构。

重要概念与名词

分子，原子；

主量子数n，轨道角动量量子数l，磁量子数m，自旋角动量量子数s；

能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则；

元素，元素周期表，周期，族；

结合键，金属键，离子键，共价键，范德华力，氢键；

高分子链，近程结构，结构单元，线性、支化、交联和三维网络分子结构；

无规、交替、嵌段和接枝共聚物；

全同立构、间同立构、无规立构，顺式、反式构型；

远程结构、数均、重均相对分子质量，聚合度；

热塑性、热固性塑料。

第二章概要

物质通常有三种聚集状态：

气态、液态和固态。

而按照原子（或分子）排列的规律性又可将固态物质分为两大类，晶体和非晶体。

晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体的原子则是无规则排列的。

原子排列在决定固态材料的组织和性能中起着极重要的作用。

金属、陶瓷和高分子的一系列特性都和其原子的排列密切相关。

一种物质是否以晶体或以非晶体形式出现，还需视外部环境条件和加工制备方法而定，晶态与非晶态往往是可以互相转化的。

1.        试证明四方晶系中只有简单四方和体心四方两种点阵类型。

2.        为什么密排六方结构不能称作为一种空间点阵？

3.        标出面心立方晶胞中（111）面上各点的坐标，并判断

是否位于（111）面上，然后计算

方向上的线密度。

4.        标出具有下列密勒指数的晶面和晶向：

a）立方晶系

；b）六方晶系

，

，

，

，

5.        在立方晶系中画出

晶面族的所有晶面，并写出{123}晶面族和﹤221﹥晶向族中的全部等价晶面和晶向的密勒指数。

6.        在立方晶系中画出以

为晶带轴的所有晶面。

7.        试证明在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直。

8.        已知纯钛有两种同素异构体，低温稳定的密排六方结构

和高温稳定的体心立方结构

，其同素异构转变温度为882.5℃，计算纯钛在室温（20℃）和900℃时晶体中（112）和（001）的晶面间距（已知aa20℃=0.2951nm,ca20℃=0.4679nm,

aβ900℃=0.3307nm）。

9.        试计算面心立方晶体的（100），（110），（111）等晶面的面间距和面致密度，并指出面间距最大的面。

10.    平面A在极射赤平面投影图中为通过NS极和点0°N，20°E的大圆，平面B的极点在30°N，50°W处，a）求极射投影图上两极点A、B间的夹角；b）求出A绕B顺时针转过40°的位置。

11.    a）说明在fcc的（001）标准极射赤面投影图的外圆上，赤道线上和0°经线上的极点的指数各有何特点？

b）在上述极图上标出

、

、

极点。

12.    由标准的（001）极射赤面投影图指出在立方晶体中属于[110]晶带轴的晶带，除了已在图2-1中标出晶面外，在下列晶面中那些属于[110]晶带？

。

13.    不用极射投影图，利用解析几何方法，如何确定立方晶系中a）两晶向间的夹角

；b）两晶面夹角

；c）两晶面交线的晶向指数；d）两晶向所决定的晶面指数。

14.    图2-2为α-Fe的x射线衍射谱，所用x光波长λ=0.1542nm，试计算每个峰线所对应晶面间距，并确定其晶格常数。

图2-2

15.    采用Cukα（λ=0.1542nm）测得Cr的x射线衍射谱为首的三条2

=44.4°，64.6°和81.8°，若（bcc）Cr的晶格常数a=0.2885nm，试求对应这些谱线的密勒指数。

16.    归纳总结三种典型的晶体结构的晶体学特征。

17.    试证明理想密排六方结构的轴比c/a=1.633。

18.    Ni的晶体结构为面心立方结构，其原子半径为r=0.1243nm，试求Ni的晶格常数和密度。

19.    Mo的晶体结构为体心立方结构，其晶格常数a=0.3147nm，试求Mo的原子半径r。

20.    Cr的晶格常数a=0.2884nm，密度为ρ=7.19g/cm3，试确定此时Cr的晶体结构。

21.    In具有四方结构，其相对原子质量Ar=114.82，原子半径r=0.1625nm，晶格常数a=0.3252nm，c=0.4946nm，密度ρ=7.286g/cm3，试问In的单位晶胞内有多少个原子?

In致密度为多少？

22.    Mn的同素异构体有一为立方结构，其晶格常数为0.632nm，ρ为7.26g/cm3，r为0.112nm，问Mn晶胞中有几个原子，其致密度为多少？

23.    a）按晶体的钢球模型，若球的直径不变，当Fe从fcc转变为bcc时，计算其体积膨胀多少？

b）经x射线衍射测定在912℃时，α-Fe的a=0.2892nm，γ-Fe的a=0.3633nm,计算从γ-Fe转变为α-Fe时，其体积膨胀为多少？

与a）相比，说明其差别原因。

24.    a）计算fcc和bcc晶体中四面体间隙及八面体间隙的大小（用原子半径R表示），并注明间隙中心坐标；b）指出溶解在γ-Fe中C原子所处位置，若此类位置全部被C原子占据，那么问在此情况下，γ-Fe能溶解C的质量分数为多少？

而实际上碳在铁中的最大溶解质量分数是多少？

两者在数值上有差异的原因是什么？

25.    a）根据下表所给之值，确定哪一种金属可作为溶质与钛形成溶解度较大的固溶体：

Tihcpa=0.295nm

Behcpa=0.228nm

Alfcca=0.404nm

Vbcca=0.304nm

Crbcca=0.288nm

b）计算固溶体中此溶质原子数分数为10%时，相应质量分数为多少？

26.Cu-Zn和Cu-Sn组成固溶体最多可溶入多少原子数分数的Zn或Sn？

若Cu晶体中固溶入Zn的原子数分数为10%，最多还能溶入多少原子数分数的Sn?

27.含w（Mo）为12.3%，w（C）为1.34%的奥氏体钢，点阵常数为0.3624nm，密度为7.83g/cm3，C，Fe，Mn的相对原子质量分别为12.01，55.85，54.94，试判断此固溶体的类型。

28.渗碳体（Fe3C）是一种间隙化合物，它具有正交点阵结构，其点阵常数a=0.4514nm，b=0.508nm，c=0.6734nm，其密度ρ=7.66g/cm3，试求Fe3C每单位晶胞中含Fe原子与C原子的数目。

29.从晶体结构的角度，试说明间隙固溶体、间隙相以及间隙化合物之间的区别。

30.试证明配位数为6的离子晶体中，最小的正负离子半径比为0.414。

31.  MgO具有NaCl型结构。

Mg2+的离子半径为0.078nm，O2-的离子半径为0.132nm。

试求MgO的密度（ρ）、致密度（K）。

32.  某固溶体中含有x（MgO）为30%，x（LiF）为70%。

a）试计算Li+1，Mg2+，F-1和O2-之质量分数；b）若MgO的密度为3.6g/cm3，LiF的密度为2.6g/cm3，那么该固溶体的密度为多少？

33.铯与氯的离子半径分别为0.167nm，0.181nm,试问a）在氯化铯内离子在<100>或<111>方向是否相接触？

b）每个单位晶胞内有几个离子？

c）各离子的配位数是多少？

d）ρ和K？

34.K+和Cl-的离子半径分别为0.133nm，0.181nm，KCl具有CsCl型结构，试求其ρ和K？

35.  Al3+和O2-的离子半径分别为0.051nm，0.132nm，试求Al2O3的配位数。

36.  ZrO2固溶体中每6个Zr4+离子同时有一个Ca2+离子加入就可能形成一立方体晶格ZrO2。

若此阳离子形成fcc结构，而O2-离子则位于四面体间隙位置。

计算a）100个阳离子需要有多少O2-离子存在？

b）四面体间距位置被占据的百分比为多少？

37.  试计算金刚石结构的致密度。

38.  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？

39.  Si具有金刚石型结构，试求Si的四面体结构中两共价键间的夹角。

40.  结晶态的聚乙烯分子结构如图2-3所示，其晶格属斜方晶系，晶格常数a=0.74nm，b=0.492nm，c=0.253nm，两条分子链贯穿一个晶胞。

a）试计算完全结晶态的聚乙烯的密度；b）若完整非晶态聚乙烯的密度为0.9g/cm3，而通常商用的低密度聚乙烯的密度为0.92g/cm3，高密度聚乙烯的密度为0.96g/cm3，试估算上述两种情况下聚乙烯的结晶体积分数。

41.聚丙烯是由丙烯聚合而成，其化学式是C3H6，结晶态聚丙烯属单斜晶系，其晶格常数a=0.665nm，b=2.096nm，c=0.65nm，α=γ=90°,β=99.3°，其密度ρ=0.91g/cm3。

试计算结晶态聚丙烯的单位晶胞中C和H原子的数目。

42.已知线性聚四氟乙烯的数均相对分子质量为5105，其C-C键长为0.154nm，键角

为109°，试计算其总链长L和均方根长度。

43.何谓玻璃？

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？

44.  有一含有苏打的玻璃，SiO2的质量分数为80%，而Na2O的质量分数为20%，。

试计算形成非搭桥的O原子数分数。

习题答案

8.

13.  a）

b）

d）

17. 

18.

;

19.

20.bcc结构。

22.K=0.466

固态物质可分为晶体和非晶体两大类。

晶体的性能是与内部结构密切相关的。

为了便于了解晶体结构，首先引入一个"空间点阵"的概念。

根据"每个阵点的周围环境相同"和六个点阵参数间的相互关系，可将晶体分为7个晶系，14种布拉菲点阵。

晶胞是能反映点阵对称性、具有代表性的基本单元（最小平行六面体），其不同方向的晶向和晶面可用密勒指数加以标注，并可采用极射投影方法来分析晶面和晶向的相对位向关系。

在晶体结构中，最常见的是面心立方（fcc）、体心立方（bcc）和密排六方（hcp）三种典型结构，其中fcc和hcp系密排结构，具有最高的致密度和配位数。

这三种典型结构的晶胞分别含有4、2、6个原子。

利用刚球模型可以算出晶体结构中的间隙，以及点阵常数与原子半径之间的关系。

金属晶体的结合键是金属键，故往往构成具有高度对称性的简单晶体结构，如fcc、bcc和hcp等。

但是，工业上广泛使用的金属材料绝大多数是合金。

由于合金元素的加入，使形成的合金相结构变得复杂。

合金组元之间的相互作用及其所形成的合金相的性质主要是由它们各自的电化学因素、原子尺寸因素和电子浓度三个因素控制的。

合金相基本上可分为固溶体和中间相两大类。

固溶体保持溶剂的晶体结构类型。

根据溶质在固溶体点阵中的位置可分为置换固溶体和间隙固溶体；按固溶度则分为有限固溶体和无限固溶体；而按溶质在固溶体中的排布则分为无序固溶体和有序固溶体；若按溶剂分类则有第一类固溶体和第二类固溶体之分。

中间相的晶体结构不同于其组元的结构，它通常可用化合物的化学分子式表示。

中间相根据其主导影响因素可分为正常价化合物，电子化合物，间隙相与间隙化合物，拓扑密堆相等。

离子晶体是以正负离子为结合单元的，其结合键为离子键。

Pauling在实验基础上，用离子键理论，归纳总结出离子晶体的如下结构规则：

负离子配位多面体规则、电价规则、负离子多面体共用顶、棱和面的规则，不同种类正离子配位多面体间连接规则和节约规则等。

它们在分析、理解晶体结构时简单明瞭，突出了结构特点。

典型的离子晶体结构是NaCl型，自然界有几百种化合物都属于此种结构。

它属于立方晶系，Fm3m空间群，可以看成分别由Na+和CL-构成两个fcc结构相互在棱边上穿插而成。

在无机非金属材料中，硅酸盐晶体结构尤其复杂，有孤岛状、组群状、链状、层状和骨架状结构等。

但它们有一个共同特点，即均具有[SiO4]4-四面体，并遵循由此导出的硅酸盐结构定律。

共价晶体是以共价键结合。

共价晶体的共同特点是配位数服从8-N法则（N为原子的价电子数）。

最典型的共价晶体结构是金刚石结构。

它属于复杂的fcc结构，可视为两个fcc晶胞沿体对角线相对位移1/4距离穿插而成。

聚合物晶态结构是其聚集态结构（三次结构）中的一大类。

由于大分子结构的缘故，聚合物的结晶是分子结晶，一个大分子可以贯穿若干个晶胞，结晶速度慢且存在结晶不完整性。

聚合物的晶态多种多样，主要由单晶、片晶、球晶、树枝状晶、孪晶和串晶等。

由于聚合物的晶态结构相当复杂，可用缨状微束模型、折叠链模型、伸直链模型、串晶或球晶结构模型以及Hosemann模型来加以描述。

固态物质中除各种晶体外，另一大类称为非晶体。

由于非晶态物质内的原子排列在三维空间不具有长程有序和周期性，故决定了它在性质上是各向同性的，且没有固定的熔点（对玻璃而言，存在一个玻璃转变温度）。

但是应注意固态物质虽有晶体和非晶体之分，然在一定条件下，两者是可以相互转换的。

重点与难点

1.选取晶胞的原则；

2.7个晶系，14种布拉菲空间点阵的特征；

3.晶向指数与晶面指数的标注；

4.晶面间距的确定与计算；

5.晶体的对称元素与32种点阵；

6.极射投影与Wulff网；

7.三种典型金属晶体结构的晶体学特点；

8.晶体中的原子堆垛方式和间隙；

9.固溶体的分类及其结构特点；

10.影响固溶体固溶度的因素；

11.超结构的类型和影响有序化的因素；

12.中间相的分类及其结构特点；

13.离子晶体的结构规则；

14.NaCl型、A2B2型和硅酸盐晶体结构特点；

15.金刚石型共价晶体结构特点；

16.聚合物晶态结构模型，晶体形态及其结构特点；

17.非晶态结构及其性能与晶体结构的区别。

重要概念与名词

晶体，非晶体；

晶体结构，空间点阵，阵点，晶胞，7个晶系，14种布拉菲点阵；

宏观对称元素，微观对称元素，点群，空间群；

极射投影，极点，吴氏网，标准投影；

晶向指数，晶面指数，晶向族，晶面族，晶带轴，共价面，晶面间距；

面心立方，体心立方，密排立方，多晶型性，同素异构体；

点阵常数，晶胞原子数，配位数，致密度，四面体间隙，八面体间隙；

合金，相，固溶体，中间相，短程有序参数a，长程有序参数S；

置换固溶体，间隙固溶体，有限固溶体，无限固溶体，无序固溶体，有序固溶体；

正常价化合物，电子化合物，电子浓度，间隙相，间隙化合物，拓扑密堆相；

离子晶体，NaCl型结构，闪锌矿型结构，纤锌矿型结构，硅酸盐[SiO4]4-四面体；