材料化學第三章習題與答案

　　1．用固體能帶理論說明什麼是導體、半導體和絕緣體？

　　答：按固體能帶理論，金屬晶體中含有不同的能帶（如下圖所示）：已充滿電子的能帶叫做滿帶，其中的電子無法自由流動、躍遷；價電子充滿的能帶稱為價帶（VB），對於一價金屬，價帶是未滿帶，對於二價金屬，價帶是滿帶；在此之上，是能量較高的能帶，又稱為空帶，可以是部分充填電子或全空的；空帶在獲得電子後可參與導電過程，又稱為導帶（CB

　　）。對於半導體和絕緣體，在導帶與禁帶之間還隔有一段空隙，稱為禁帶。

　　據禁頻寬度和能帶中電子填充狀況，可把物質分為導體、半導體和絕緣體：

　　導體：價帶是未滿帶，或價帶與導帶重疊，禁頻寬度為0，因而可導電。

　　半導體：價帶是滿帶，禁頻寬度較小，為0.1~3eV之間.

　　絕緣體: 禁頻寬度較大, >5 eV;

　　2. 有一根長為5m，直徑為3mm的鋁線，已知鋁的彈性模量為70GPa，求在200 N的拉力

　　作用下，此線的總長度。

　　解：設此時線的總長度為l,

　　2 2-6-62據已知條件： l = 5 m, F = 200 N，A0 = πR=3.14×3×10/4 = 7.1 ×10 m E = 70GPa;

　　又據應力公式F/A0，應變公式 (ll0)/l0 和虎克定律：E，有：

　　1GPa =109Pa =1×109N/m2

　　l2005

　　7.1106701095=5.002m

　　3. 解釋為何鋁材不生鏽，而鐵則較易生鏽。

　　答：鋁在空氣中可形成緻密的氧化物膜，阻止了氧對鋁金屬的進一步氧化腐蝕。鐵在空氣中會與空氣中的氧在表面形成鬆散形的氧化物膜，不能阻止氧對鐵金屬的進一步腐蝕。

　　4 為什麼鹼式滴定管不採用玻璃活塞？

　　答：因為玻璃活塞的主要成份為酸式氧化物SiO2, 其耐酸不耐鹼。同時玻璃活塞的腐蝕會導致接觸部位粘結甚至損壞。

　　5 何種結構的材料具有較高的硬度？如何提高金屬材料的'硬度？

　　答：以共價鍵結合的材料硬度高,如金剛石；其次，無機非金屬材料也有較高硬度。金屬材

　　料形成固溶體或合金時,材料硬度會顯著提高，因此可在金屬材料中加入其它金屬或非金屬元素填形成固溶體，以提高金屬材料的強度。

　　6 什麼是材料的疲勞？有哪些指標反應材料的疲勞效能？

　　材料的疲勞指材料在迴圈受力（拉伸、壓縮、彎曲、剪下等）下，在某點或某些點產生區域性的永久性損傷，並在一定迴圈次數後形成裂紋、或使裂紋進一步擴充套件直到完全斷裂的現象。

　　反應材料疲勞效能的指標有：疲勞強度、疲勞極限

　　7．熱膨脹受什麼因素影響？試用勢能圖進行解釋？

　　答：材料的熱膨脹的一般與原子間的鍵合能力和材料的結構有關，鍵合能力越強，勢能井越深，材料受熱後原子間的鍵長變化（Δr）越小，因而膨脹係數越小；此外，材料結構越疏鬆，膨脹係數越小。

　　8 壓電體有什麼用途？

　　答：①具有壓電效應的材料稱為壓電體，給壓電體施加壓力，可在樣品兩側產生小電壓，這一現象稱為壓電效應。因此壓電體可將應力轉化成容易測量的電壓值，可用於製造感測器。 ② 壓電體還有電至伸縮現現象即逆壓電效應，因而可作為音訊發生器件，如揚聲器、耳機、蜂鳴器。

　　9 簡述軟磁材料和硬磁材料的磁化曲線特徵及這現兩種材料的用途？

　　答：據磁滯回線的形狀可將鐵磁材料分為軟磁材料與硬磁材料：

　　軟磁材料在較弱的磁場下易磁化也易退磁。其磁滯回線呈狹長形，所包面積很小，磁滯損耗低。軟磁材料主要用作各種電感元件，如濾波器、變壓器及天線等中的磁性元件。硬磁材料的剩餘磁化強度和矯頑力均很大，磁化後不易退磁，可長期保留磁性，又稱永磁材料，常用於電訊器件（如錄音器、電話機及各種儀表）中的磁鐵。

　　第四章

　　2．C在高溫下可作為金屬氧化物還原劑的原因：

　　據反應方程式2C(s) + O2(g) → 2CO(g)知，1mol氧氣生成2mol一氧化碳氣體，熵變ΔS增加，導致埃靈罕姆圖中CO生成線的斜率－ΔS＜0，即是一條從左向右向下傾斜的直線，這表明, 隨溫度升高，ΔGΘ負值增大,CO穩定性增大，C還原性大大增加, 從圖中可以看出,只要溫度足夠高,這條線在所有金屬氧化物的下方.因此,在高溫下,可用作金屬氧化物的還原劑.

　　3. (a)對任何反應:ΔG=0代表反應在恆溫恆壓下,反應在某非標狀態下達平衡狀態.

　　ΔGΘ=0表示反應在標準狀態下,達平衡狀態.

　　標準態: 指參與反應的各氣體的標準壓力為100 kPa.

　　(b) ΔGΘ>0表明在標準狀態下, 反應不能向右進行, 如果改變反應條件,反應是可以向右進行的, 因此這一說法是偏面的或不正確的.

　　4. 由反應 C(s) + O2(g) → CO2(g)知，1mol氧氣生成1mol二氧化碳氣體，反應前後分子數不變, 即熵變ΔS變化很小, 因此埃靈罕姆圖中CO2生成線為平行於橫座標的一條直線; 對於生成CO的反應: 2C(s) + O2(g) → 2CO(g)，1mol氧氣生成2mol一氧化碳氣體，熵變增加即ΔS>0，CO生成線的斜率:－ΔS＜0，因而在埃靈罕姆圖中是一條從左向右向下傾斜的直線.

　　5.Ca, Mg, Li, Al, Ti

　　6 f=c-p+2 中的2代表溫度和壓力這兩個變數, 對於材料化學中的材料, 主要指固體材料,屬凝聚態體系, 壓力對其影響較小, 因此壓力常可忽略不計, 因此 f=c-p+2 中的2可改為1.

　　(a) 固溶體α(B原子溶入A基體中形成的固溶體), 含B 80%

　　(b) 合金成分: 含B 20%的合金;

　　(b) 最後凝固的液體成分: 含B 30%;