中南大學(xué)材料化學(xué)原理試卷

中南大學(xué)考試試卷200--200學(xué)年上學(xué)期時(shí)間110分鐘材料化學(xué)原理課程64學(xué)時(shí)4學(xué)分考試形式：閉卷專業(yè)年級：材化班總分100分，占總評成績70%注：此頁不作答題紙，請將答案寫在答題紙上一、名詞解釋（16分，每題4分）1、晶界偏析在平衡條件下，溶質(zhì)原子（離子）在晶界處濃度偏離平均濃度（2分）。由于晶界結(jié)構(gòu)缺陷比晶內(nèi)多，溶質(zhì)原子（離子）處于晶內(nèi)的能量比處在晶界的能量高，因此，通過偏析使系統(tǒng)能量降低（2分）。2、重構(gòu)性相變重構(gòu)性相變過程伴隨有化學(xué)鍵的破壞與生成，原子重新排列，需激活能大（4分）。3、均勻形核組成一定，熔體均勻一相，在T0溫度下析晶，發(fā)生在整個(gè)熔體內(nèi)部，析出物質(zhì)組成與熔體一致（4分）。4、二次再結(jié)晶正常晶粒生長由于氣孔、二次相粒子等阻礙而停止時(shí)，在均勻基相中少數(shù)大晶粒在界面能作用下向鄰近小晶粒曲率中心推進(jìn)，而使大晶粒成為二次再結(jié)晶的核心，晶粒迅速長大（4分）。二、填空題（36分，每題4分）1、固相燒結(jié)初期的擴(kuò)散傳質(zhì)機(jī)理主要有表面擴(kuò)散、晶格擴(kuò)散、界面擴(kuò)散、蒸發(fā)-凝聚，其中蒸發(fā)-凝聚對燒結(jié)致密化沒有影響，只是改變晶粒的表面形貌。（每空1分）2、金屬或合金形成抗氧化性膜的基本條件有P-B比大于1、良好的化學(xué)穩(wěn)定性有一定的強(qiáng)度和塑性。（第一空2分，其余兩空各1分）3、在MgO中添加少量Al2O3(摩爾分?jǐn)?shù)為x)形成置換固溶體，其分子簡式為其密度隨摻雜量x的增大而減少（增大、減少或不變）。（每空2分）材料實(shí)際表面有_擴(kuò)散層_____、_加工層、_氧化層_____、銹蝕和灰塵等______、_污垢層等幾層。（每空1分）電極電位越高，越__易____得電子，__氧化____能力越強(qiáng)。（每空2分）試列舉出三種表面處理方法_電鍍_____、__化學(xué)鍍____、_化學(xué)轉(zhuǎn)化膜_____。（每空1.5分）電鍍的概念是____通過電子得失的電化學(xué)反應(yīng)在材料表面形成一層保護(hù)膜_，鍍液是由主鹽_____、_絡(luò)合劑、_添加劑_等幾種組分構(gòu)成。（每空1分）金屬還原的熱力學(xué)判據(jù)是_還原反應(yīng)的吉布斯自由能小于0_。溶劑在化學(xué)反應(yīng)中的作用是提供反應(yīng)場所_、參與產(chǎn)生溶劑化效應(yīng)、對化學(xué)反應(yīng)速率產(chǎn)生影響。（每空1.5分）三、簡答題（共48分，每題8分）從金屬氧化過程機(jī)理分析，在金屬鎳中摻入少量的金屬鋰，能提高其抗氧化性能，而在金屬鋅中摻入少量的金屬鋰，卻降低其抗氧化性能，試給予解釋。答：1）基體金屬鎳氧化形成的NiO是金屬不足型(n型)氧化物，其缺陷化學(xué)方程式為：（2分）加入金屬鋰，相當(dāng)于在NiO中摻雜氧化鋰，其缺陷化學(xué)方程式為：（1分）其結(jié)果導(dǎo)致金屬鋰離子空位減少，金屬的氧化速度降低，抗氧化性能提高。（1分）2）基體金屬鋅氧化形成的ZnO是金屬過剩型(n型)氧化物，其缺陷化學(xué)方程式為：（1分）加入金屬鋰，相當(dāng)于在ZnO中摻雜氧化鋰，其缺陷化學(xué)方程式為：（1分）《材料化學(xué)原理》課程考試試卷評分標(biāo)準(zhǔn)學(xué)期：學(xué)年上學(xué)期；專業(yè)年級：材化班一、名詞解釋（24分，每題4分）1.清潔表面答：經(jīng)過離子轟擊、高溫脫附、超高真空中解理、蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、分子束外延等特殊處理后（1分），保持在10-6-102、肖特基缺陷答：正常晶格上的原子遷移到晶體表面（2分），在正常結(jié)點(diǎn)上留下空位（2分）。3、弗倫克爾缺陷答：正常晶格上的原子進(jìn)入晶格間隙形成填隙原子（2分），在原來的位置上形成空位（2分）。4、一級相變與二級相變答：一級相變時(shí)兩相化學(xué)勢相等，但化學(xué)勢的一級偏微商不相等。發(fā)生一級相變時(shí)有潛熱和體積的變化（2分）。二級相變：相變時(shí)兩相化學(xué)勢相等，其一階偏微商也相等，但二階偏微商不相等。發(fā)生二級相變時(shí)無潛熱和體積變化，只有熱容量、膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)的變化（2分）。5、電化學(xué)腐蝕答：金屬在潮濕空氣或電解質(zhì)溶液、海水等條件下（1分）發(fā)生氧化還原反應(yīng)（2分）而引起的腐蝕（1分）機(jī)械合金化答：反應(yīng)物在球磨機(jī)內(nèi)磨球的碰撞擠壓下，發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形（1），不同的元素組分冷焊在一起，隨后發(fā)生斷裂（1），冷焊、斷裂不斷重復(fù)進(jìn)行，使得粉?？偸窃谧疃痰某叨壬弦孕迈r的原子面相互接觸，最終達(dá)到合金化的目的（2分）二、填空題（24分，每空1分）1、燒結(jié)的推動力是比表面能的減少，晶粒生長的推動力是晶界兩側(cè)自由能差。2、850K以上鐵在氧化性氣氛中逐步氧化成包含F(xiàn)eO,Fe3O4,Fe2O3_氧化物的三層結(jié)構(gòu)。3、應(yīng)用液相化學(xué)法制備粉末時(shí)為了減少溶液中粉末的團(tuán)聚現(xiàn)象，可加入分散劑，分散劑的分散機(jī)制有靜電、空間位阻、___混合機(jī)制____三種。4、從熔體中析出晶體的過程分兩步完成，首先是形核過程，然后是析晶或晶體長大過程。5、試列舉出4類表面處理方法電鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、PVD。6、書寫缺陷方程式的三個(gè)基本原則是質(zhì)量平衡、電荷平衡、位置關(guān)系。7、金屬氧化物分解反應(yīng)產(chǎn)物的氧分解壓越小，表明金屬與氧的親和力越強(qiáng)，金屬氧化的趨勢越容易。8、原電池是發(fā)生氧化還原反應(yīng)的裝置，正極的電位較高，發(fā)生還原反應(yīng)。9、膠體是熱力學(xué)不穩(wěn)定、動力學(xué)穩(wěn)定的多相體系。三、問答及證明題（共52分）1、什么是納米材料？納米材料有哪些特殊性能？舉出兩個(gè)實(shí)例說明納米材料的應(yīng)用。（8分）答：有一個(gè)方向尺寸在1-100nm的材料且性能與常規(guī)材料相比發(fā)生突變的材料稱為納米材料。納米材料有著特殊的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，如熔點(diǎn)下降、蒸汽壓上升、比熱熔和熱膨脹系數(shù)升高、熱穩(wěn)定性降低、導(dǎo)電導(dǎo)熱和光吸收性能好。納米材料具有催化性能好、燒結(jié)溫度低、化學(xué)反應(yīng)活性強(qiáng)。如利用納米材料的抗紫外線、吸收可見光、良好的抗菌除臭功能，可以做成各種改性面料。利用納米二氧化鈦粉沫對紫外線屏蔽作用，可以用于各種防曬的化妝品。2、試證明均相成核臨界狀態(tài)下，新相界面能g與單位體積中舊相和新相之間的自由能差ΔGV有如下關(guān)系：(設(shè)晶胚為球形，rk為晶胚的臨界半徑）。（8分）解：設(shè)單位體積中半徑為r的晶胚數(shù)為n，則形核過程中自由能的變化為（4分）（3分）得臨界半徑：（1分）3、根據(jù)缺陷化學(xué)原理推導(dǎo)ZnO電導(dǎo)率與氧分壓的關(guān)系，并討論添加Al2O3，Li2O對ZnO電導(dǎo)率的影響。（10分）解：非化學(xué)計(jì)量化合物Zn1+xO，由于正離子填隙，使金屬離子過剩：（2分）根據(jù)質(zhì)量作用定律得（2分）在ZnO添加Al2O3，Li2O后，其缺陷反應(yīng)式分別為：（1分）（1分）因此，加入Al2O3導(dǎo)致電子濃度升高，故電導(dǎo)率升高（2分）；加入Li2O導(dǎo)致電子濃度升高，故電導(dǎo)率降低（2分）。4、金屬鐵Fe中放置一個(gè)標(biāo)志物Pt，于960℃氧中加熱，發(fā)現(xiàn)標(biāo)志物Pt處在金屬鐵與所形成的FeO間，請判斷何種離子擴(kuò)散為主，并寫出該離子在FeO中的擴(kuò)散系數(shù)與氧分壓、溫度的關(guān)系式。（10解：Pt處在金屬鐵與所形成的FeO間，說明氧化反應(yīng)發(fā)生在O2/FeO界面,屬于陽離子向外擴(kuò)散為主（2分）。FeO是非化學(xué)計(jì)量化合物Fe1-xO形式，F(xiàn)e2+正離子空位，引起負(fù)離子過剩，寫出下面缺陷方程式：或（3分）按質(zhì)量作用定律，平衡常數(shù)（2分）由此可得（3分）5、舉出三種液相合成方法？簡單分析影響液相合成反應(yīng)有哪些因素？（8分）答：沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、微乳液法等（4分）。影響因素有：制備方法、反應(yīng)物種類和濃度、分散劑、溫度、pH值、加料方式、攪拌方式和強(qiáng)度、反應(yīng)時(shí)間、雜質(zhì)等（4分）。6、電極過程的特點(diǎn)是什么？電極過程由哪幾個(gè)微觀過程構(gòu)成？（8分）答：電極過程的特點(diǎn)：氧化還原反應(yīng)可分區(qū)進(jìn)行，并伴隨宏觀的電子定向流動；電極/溶液界面存在很強(qiáng)的電場，其大小可在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)控，因而一些本需在高壓、高溫等極限條件下制備的材料，都有可能采用電化學(xué)方法制備，并實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)速度大小和方向的調(diào)控；電極材料的化學(xué)性質(zhì)和表面狀況對電極反應(yīng)速度往往有很大影響；電極過程由一系列動力學(xué)規(guī)律不同的分步驟構(gòu)成（