材料化学复习资料

材料化学复习资料 第一章 晶体学基础

一．选择

1. 下面哪些是同质多晶（ BCD ）。

A. Fe2O3 B. 石墨 C. 金刚石 D. 石墨烯 E. Fe3O4 2. 下面哪些是类质同晶（ AC ）。

A. CaS B. TiO2 C. NaCl D. Fe2O3 E. Fe3O4 3. 点缺陷包括哪些（ ABCDE ）。

A. 空位 B. 杂质原子 C. 间隙原子 D. 错位原子 E. 变价原子 4. 晶体缺陷按几何形式分为哪些（ ACDE ）。

A. 点缺陷 B. 杂质缺陷 C. 线缺陷 D. 面缺陷 E. 体缺陷 5. 晶体中的点缺陷按形成原因可分为（ CDE ）。

A. 空位 B. 间隙质点 C. 本征缺陷或热缺陷 D. 非本征缺陷或杂质缺陷 E. 非化学计量比缺陷

二．名词解释

1. 晶体：一种内部粒子（原子、分子和离子）或粒子集团在空间按一定规律周期性重复排列而成的固体。

2. 肖特基缺陷：一对正负离子同时离开其平衡位置而迁移到晶体表面上，在原来的位置形成一对正负离子空位，这种正负离子空位并存的缺陷叫肖特基缺陷。

3. 弗伦克尔缺陷：当晶体热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。

4. 材料：人类社会所能够接受的经济地制造有用器件的物质（可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质）。

5. 空间点阵： 表示晶体结构中各类等同点排列规律的几何图形（表示晶体内部结构中质点重复规律的几何图形）。

6. 晶向：空间点阵的结点可以看成是分列在一系列相互平行的直线上，这些直线系称为晶列，同一个格子可以形成方向不同的晶列，每一个晶列定义了一个方向，称为晶向。

7. 晶面：空间点阵的结点可以从各个方向被划分为许多组平行且等距的平面点阵，这些平面点阵所处的平面称为晶面。

8. 点群：晶体结构中所有点对称要素（对称面、对称中心、对称轴和旋转反演轴）的集合。 9. 空间群：是指一个晶体结构中所有对称要素集合。

10. 晶面指标：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平面点阵面与晶轴的取向关系的参数。 11. 单晶：一块固体基本上为一个空间点阵所贯穿，称为单晶。

12. 双晶：同一种晶体中的两部分或几部分相互之间不是由同一点阵所贯穿，但它们却有规则地连生在一起形成的晶体。

13. 多晶：由许多很小的不同的取向的单晶体（约为微米粒度）聚集而成的固体。 14. 点缺陷：发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一类缺陷。

15. 线缺陷：缺陷只在一个方向上延伸，或称一维缺陷，主要是各种形成的位错，是晶格中缺少一列粒子而形成线缺陷。

16. 面缺陷：晶体内部偏离周期性点阵结构的二维缺陷。

17. 本征缺陷：是由于渗入杂质，扰乱了晶体结构严格的周期性而产生的。

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三．简答题

1. 举例说明同质多晶和类质同晶的区别。 同质多晶：同一化合物存在两种或两种以上不同的晶体结构形式的现象（金刚石、石墨）。 类质同晶：两个或多个化合物（或单质）中，如果化学式相似，晶体结构形式相同，并能互相转换的现象（CaS和NaCl同属于NaCl结构）。 2. 简述材料化学的定义和内涵。

材料化学是研究材料的制备，组成，结构，性质及其应用的一门科学。材料科学的深入发展，为科学研究开辟了一个新的研究领域，促进了作为应用化学前沿领域的材料化学的形成；而高技术产业及国防建设对新材料的要求，为材料化学的发展提供了新的机遇。 3. 晶体的点缺陷中，两类典型的热缺陷是什么。各自有什么特点。

肖特基缺陷特点：离子晶体中的肖特基缺陷是等量的正离子空位和负离子空位成对出现。 弗伦克耳特点：间隙质点与空位总是成对出现，正离子弗仑克尔缺陷和负离子弗仑克尔缺陷之间没有直接联系，离子晶体中的 Frenkel 缺陷一般是正离子空位和间隙正离子。 4. 试叙述划分正当点阵单位所依据的原则。

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。 5. 平面点阵有哪几种类型与型式。

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。

6. 点阵和晶体的结构有何关系。

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个关系：

点阵结构＝点阵＋结构基元 点阵＝点阵结构－结构基元 7. 点阵和平移群之间关系。

①连接任意两点阵点所得向量必属于平移群；

②属于平移群的任一向量的一端落在与其对应的点阵中任一点阵点时，其另一端必落在此点阵中的另一点阵点上。

8. 下列哪个是点阵结构，并说明原因。

（a） （b） （c）

答C。构成点阵必须满足两个条件：点数无限多，各点所处环境完全相同。

9. 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?，请指出点阵结构单元是什么？基本向量长度？基本向量之间夹角？每个结构单位中包括几个碳原子？包括几个C-C化学键?

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点阵结构单元为，基本向量长度2.41?，基本向量之间夹角120 o，每个结构单元

中包含2个碳原子，包含三个C-C化学键。

10. 下图是一个伸展开的聚乙烯分子，C-C夹角约为109.5o，其中C-C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。（sin(109.5 o/2)=0.817）

因为C原子间夹角约为109.5o，所以链周期=2?1.54 ??sin(109.5 o/2)=2.51 ?。 11. 由X射线法测得下列链型高分子的周期如下，说明其物理意义。

聚乙烯 聚乙烯醇

聚氯乙烯

聚偏二氯乙烯

5.1

化学式

链周期 2.51 2.52

4.7

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。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。

第二章 非整比化合物材料与亚稳态材料

一．选择

1. 形成液晶材料的条件有哪些（ ABDE ）。

A. 分子结构形状为棒状或平面形 B. 分子有一定极性 C. 具有亲水基 D. 长度与宽度比大于4 E. 是有机物 2. 非晶态金属的性质（ ABD ）。

A. 无晶界 B. 原子排列长程无序 C. 原子排列长程有序 D. 短程有序 E. 短程无序 3. 玻璃的主要成分是（ C ）。

A. 二氧化钛。 B. 三氧化二铝。 C. 二氧化硅。D. 三氧化二铁。E.氧化钙。 4. 非整比化合物通常可分为（ ABCD ）。

A. 阴离子空位型。 B. 阳离子填隙型。 C. 阴离子填隙型。 D. 阳离子空位型。 5. 下列哪些属于n型半导体（ AB ）。

A. 阴离子空位型 B. 阳离子填隙型 C. 阴离子填隙型 D. 阳离子空位型E. 杂质空位

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6. 下列哪些属于p型半导体（ CD ）。

A. 阴离子空位型 B. 阳离子填隙型 C. 阴离子填隙型D. 阳离子空位型 E. 杂质空位 7. 构成无限互溶体的条件（ ABD ）。

A. 组分具有相同的结构型式 B. 组成分子半径相近 C. 组成分子中原子半径较小 D. 组成金属的电正性不能相差太多E组成金属的电正性应该相差很多 8. 下列各项不是液晶分子排列形式的是（ BE ）。 A. 向列相 B. 多晶相 C. 近晶相 D. 胆甾相 E. 单晶相

二．名词解释

1. 玻璃：高温下熔融，冷却过程中黏度逐渐增大、不析晶、室温下保持熔体结构的非晶固体。

2. 材料的稳定状态：指其体系自由能最低时的平衡状态，通常相图中所显示的即是稳定的平衡状态。

三．简答题

1. 晶面交角守恒是指什么角守恒，为何守恒。

晶面交角守恒定律，即是同一种晶体的每两个相应界面间的夹角保持恒定不变的数值，若对应各相应的晶面分别引法线，则每两条法线之间的夹角（晶面夹角）也必为一个常数。这一规律完全是由于晶体具有点阵结构这一规律决定的。

2. 晶面的形状和大小为什么不守恒。晶体外形一般说受那些因素的影响。

因为晶体的大小和形状不仅受内部结构的制约，还受外部因素的影响，所以晶面的形状和大小是不守恒的。

一般说来，晶体外形除了其内部结构制约，在一定程度上还受到外因，如温度、压力、浓度和杂质的影响。

3. 解释晶体的均匀性，并说明晶体均匀和气体液体及玻璃均匀性的区别。

晶体的均匀性来源于晶体中原子排布的周期性规则，而由于周期性很小，宏观观察中分辨不出微观的不连续性。

气体、液体和玻璃也有均匀性，那是由于原子杂乱无章的分布，均匀性来源于原子无序分布的统计性规律，两者之间有着实质性的不同。

4. 什么是非化学计量化合物？试举几个常见的例子（至少三个）。

非化学计量化合物是指化合物原子数量的比例，不符合定比定律，即非简单的固定比例关系。例如化合物：Zn1+δO、KδWO3、TiO1+δ。 5. 简述晶体与非晶体间的转化特点。

非晶态是一种亚稳态，所以非晶态固体有向晶态自发转化的趋势，但当温度不够高时，非晶态中的原子（离子）的运动幅度较小，同时晶核的形成和生长都比较困难，因此非晶态向晶态的转化就不易发生。另外，非晶态向晶态的转化要经过一些中间步骤，且转变带有突变的特征，一般伴随有幅度不大的体积变化。

晶态向非晶态的转化：可以通过一些机械能，如材料表面的研磨和破碎、冲击波作用等，机械能的作用破坏晶体的长程有序。 6. 简述什么是陶瓷。

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。

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7. 晶体的对称性有哪些内容。

晶体的理想外形和晶体的内部结构以及晶体的物理化学性质都有特有的对称性。晶体的对称性是由于晶体的内部质点作有规则排列造成的。根据空间点阵规律，在任一晶体结构的任一行列方向上，总是存在着一系列为数无限的做周期性重复排列的等同点，这部分就表现出一种对称性。晶体外部形态的对称性是宏观对称；晶体内部也具有对称性，是微观对称。 8. 解释晶体的各向异性及形成原因。

晶体不同的方向上具有不同的物理性质。

原因：晶体内部质点的有序排列，即晶体内部原子的周期性排列所决定。 9. 简述非化学计量化合物的结构特征。

非化学计量化合物的晶格结点有空位，或含有处于间隙位置的填隙原（离）子，存在着缺陷，在组成和结构两方面显示出非化学计量的特征。 10. 晶体一般的特点是什么。

①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。 ②各向异性：晶体在不同方向上具有不同的物理性质。

③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。

④固定熔点：晶体具有固定的熔点。

⑤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。

11. 钾玻璃中K2CO3质量分数为18.4%，CaCO3质量分数为11.0%、SiO2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、石灰石和二氧化硅多少t？（原子量K-39、C-12、O-16、Ca-40、Si-28）

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。 物质的量比为：1：0.825：8.825

若制造5.1t钾玻璃则需用： K2CO3 5.1?0.184=0.94t； CaCO3 5.1?0.11=0.561t ； SiO2 5.1?0.706=3.6t。

12. 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Ni2+空缺，另有两个Ni2+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Ni3+与Ni2+的离子数之比。

答：设晶体中Ni3+的离子数为a，Ni2+的离子数为b。根据题意：

a+b=0.97 3a+2b=2 解得：a=0.06 b=0.91

该晶体中 Ni3+/Ni2+=a/b=0.06/0.91=6/91

13. 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。

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SiO44-四面体），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。

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