材料化学习题答案(完整版)

第二章2.1扩散常常是固相反应的决速步骤，请说明：1)在用MgO和32OAl为反应物制备尖晶石42OMgAl时，应该采用哪些方法加快固相反应进行？2)在利用固相反应制备氧化物陶瓷材料时，人们常常先利用溶胶-凝胶或共沉淀法得到前体物，再于高温下反应制备所需产物，请说明原因。3)“软化学合成”是近些年在固体化学和材料化学制备中广泛使用的方法，请说明“软化学”合成的主要含义，及其在固体化学和材料化学中所起的作用和意义。答：1.详见P6A.加大反应固体原料的表面积及各种原料颗粒之间的接触面积；B.扩大产物相的成核速率C.扩大离子通过各种物相特别是产物物相的扩散速率。2.详见P7最后一段P82.2节一二段固相反应中反应物颗粒较大，为了使扩散反应能够进行，就得使得反应温度很高，并且机械的方法混合原料很难混合均匀。共沉淀法便是使得反应原料在高温反映前就已经达到原子水平的混合，可大大的加快反应速度；由于制备很多材料时，它们的组分之间不能形成固溶的共沉淀体系，为了克服这个限制，发展了溶胶-凝胶法，这个方法可以使反应物在原子水平上达到均匀的混合，并且使用范围广。3.P22“软化学”即就是研究在温和的反应条件下，缓慢的反应进程中，采取迂回步骤以制备有关材料的化学领域。2.2请解释为什么在大多数情况下固体间的反应很慢，怎样才能加快反应速率？答：P6以MgO和32OAl反应生成42OMgAl为例，反应的第一步是生成42OMgAl晶核，其晶核的生长是比较困难的，2Mg和3Al的扩散速率是反应速率的决速步，因为扩散速率很慢，所以反应速率很慢，加快反应速率的方法见2.1（1）。第三章（张芬华整理）3.1说明在简单立方堆积、立方密堆积、六方密堆积、体心立方堆积和hc型堆积中原子的配位情况。答：简单立方堆积、6立方密堆积、12六方密堆积、12体心立方堆积8hc型堆积123.23SrTiO为钙钛矿结构，a=3.905A，计算Sr-O，Ti-O键长和3SrTiO密度。答：立方钙钛矿结构为立方最密堆积，其中各原子的分数坐标为Ti（0，0，0），Sr（1/2,1/2,1/2），O（0，0，1/2）Sr-O键长：0761.222AaTi-O键长：022382.32221A1853.04905.323434,4203033VVaVRVRa3.3NbO具有NaCl相关的结构，在原点和体心位置上分别是Nb和O的空位，画出NbO的结构图，讨论其中的八面体金属簇的三维结构。答：P48图3.12（c）NbO是目前为止发现的唯一具有三维结构八面体原子簇的化合物，八面体原子簇的三维连接要求阴离子的尺寸与金属簇的空隙相当。（详细参考P49第一段）3.4说明2CdCl和2CdI结构的特征和异同。答：2CdCl和2CdI为层型分子，在2CdI晶体中，层型分子沿垂直于层的方向堆积，I作六方最密堆积，2Cd离子填入其中部分八面体空隙，各层相对位置为AcBAcBAcB。2CdCl晶体中Cl作立方最密堆积，2Cd交替的一层填满一层空缺的填入八面体空隙中，相对位置表示为AcBCbABaC。（详细参考结构化学P290）3.5阴离子具有立方密堆积，以下方式充填阳离子可以得到什么类型：（1）阳离子填满所有四面体格位反萤石结构（2）阳离子充填1/2四面体格位尖晶石结构（共棱）（3）阳离子填满所有八面体格位NaCl结构（共边）（4）阳离子充填1/2八面体格位钙钛矿结构（共顶点）3.6阴离子具有六方密堆积，以下方式充填阳离子可以得到什么类型：（5）阳离子填满所有四面体格位金红石结构（共顶点）（6）阳离子充填1/2四面体格位六方硫化锌结构（共顶点）（7）阳离子填满所有八面体格位NiAs结构和WC结构（共边）（8）阳离子充填1/2八面体格位3BaFeO结构（六方钙钛矿）第七章7.1一种晶体具有中心对称，它是否具有以下性质：介电、铁电、热释电、压电？答：一个晶体具有中心对称，它具有介电性质，不具有铁电，热释电，压电性质。①所有三十二种点群都具有介电性质；②铁电和热释电属于具有一阶张量描述的物理性质，晶体应该属于极性晶类，有中心对称的晶体不具有奇数阶张量描述的物理性质；③压点性质属于具有三阶张量描述的性质。7.2说明Neumann规则和Curie规则的基本要点。答：具体见P139~140Neumann规则基本要点：晶体任一物理性质所具有的对称性，必包含晶体点群的全部对称操作。（讨论的是物理性质与晶体对称性之间的关系）Neumann规则中：1)只要求晶体物理性质的对称性包含晶体的对称性；2)晶体物理性质的对称性常高于晶体的对称性；3)确定晶体的对称操作一定要包含晶体所属点群的所有对称操作，限定了物理性质的最低对称性。Curie规则基本要点：晶体在受到外场作用后，晶体的对称操作仅保留晶体原有对称操作中与外场一致的部分，在外场对称性高于晶体对称性时，晶体的对称性保持不变；在外场的对称性低于晶体对称性时，晶体的对称性降低。（讨论外加物理场对晶体对称性的影响）第八章8.13BaTiO在393K发生从四方到立方结构的相变，空间群从P4mm转变为Pm3m，回答并说明原因：四方结构的3BaTiO是否可以具有热释电性质和铁电性质；立方结构的3BaTiO是否可以具有介电性质、压电性质和热释电性质。答：①四方的3BaTiO属于极性点群，具有热释电性质具有铁电性质（P156下面）②立方的3BaTiO不属于极性点群，不具有热释电性质；32个点群的晶体均具有介电性质；具有压电性质8.2材料的热释电和铁电效应是用一阶张量描述的物理性质，只有极性晶类的晶体才能具有这些性质，在实际中人们发现所有的极性晶类的晶体都具有热释电效应，而其中的一小部分可以表现出铁电效应，请说明原因。答：详见P156第一段。在三十二种点群中，具有热释电效应的10类极性晶体都可能具有铁电性质，但并非所有的热释电效应都可以表现出铁电性质，一些热释电材料自发极化反转需要较高的外加电场，如所需电场高于击穿电压，材料就无法表现出铁电性质。因此，从材料的内禀性质上讲铁电与热释电材料属于同一类，具有铁电性质的晶体一定具有热释电性质，但具有热释电性质的晶体不一定能够实现铁电性质。第九章9.1比较并说明42CuOLa和42CuONd结构的异同。答：详见P182下面一段。42CuOLa是AOABOn3层状钙钛矿系列化合物中n=1的物相，其中铜氧八面体公用顶点形成二维钙钛矿单层，层间的离子按NaCL（100）面方式排列。也可以看作是四方配位的铜氧层2CuO与NaCL结构的LaO双层构成，化合物中的铜离子为二价。42CuONd也是一种层状钙钛矿结构，结构中的铜氧层仍然是四方2CuO，与AOABOn3系列化合物结构不同，四方铜氧层2CuO被2CaF结构的NdO层隔开。高价离子部分取代42CuONd中的稀土离子，可以使部分2Cu变为Cu。第十二章（红色字体表示没有准确的答案）12．1下列哪些现象属于非平衡辐射发光？（1）在253nm紫外激发下，23YO:Eu发出红色的光；（2）BaFCl:Eu材料的热释发光；（3）白纸灯发光；（4）X射线荧光；（5）月光。答：非平衡辐射是指在某种外界作用的激发下，体系偏离原来的平衡态，如果物体在回复到平衡态过程中，其多余的能量以光辐射的形式释放出来，则称为发光。发光是一种叠加在热辐射背景上的非平衡辐射。由以上定义，可以判断（1）属于非平衡辐射发光；（5）不属于；12.2哪些光谱包含了材料的光吸收特性？（1）吸收光谱；（2）荧光发射光谱；（3）激发光谱；（4）反射光谱；（5）热释发光光谱。答：（2）、（3）、(4)12.3在紫外光激发下，4LaPO:3Ce，3Tb发射3Tb的特征绿光，指出材料的基质、激活剂和敏化剂。答;基质4LaPO，激活剂3Ce，敏化剂3Tb12.4以激发方式分类，说出5类发光材料的名称。答：分立中心发光材料、复合发光材料、复合离子发光材料或自己激活发光材料、12.5在下面的图中给出了某种发光材料的3条谱图。请指出哪一条是反射光谱、激发光谱和发射光谱，并估计该材料的发光颜色。答：（a）是激发光谱（b）是反射光谱（c）是发射光谱12.6什么是Stokes位移，什么是反Stokes位移？答：由于荧光物质分子吸收的光能经过无辐射去激的消耗后,降至S1态的最低振荡能级,因而所发射的荧光的波长比激发光长,能量比激发光小,这种现象称为stokes位移.反之,称为反斯托克斯线。12.7根据发光机理，无机固体发光材料中发光过程可分立中心发光，复合发光和电荷迁移态发光。请指出下列材料各属于哪种机理的发光：(1)23YO:Eu(2)ZnS:Ag,Cl(3)4bYNO(4)543,):,CaPOFClSbMn（）((5)（ZnCd）S：Cu，Al(6)4CaWO(7)5YSiO:Ce(8)24SrCeO答：分立发光中心(1)(4）(7)(8)复合发光(2)(5)电荷迁移态发光(3）（6）12.8下面那些离子可以作为激活剂，哪些不可以？2+Mn，3+2+2++3+3233gCrCaMKScLaTlSnNdTb答：激活剂；2Mn、3Cr、+Tl、2Sn、3+Tb、3Nd12.9在制备绿色荧光体1119MgAlO：3Tb时，若原料中混入月1%的下列离子（2+3+33+3aNBaEuCeFeCo）估计它们分别对该材料的发光性能会有何影响答：LiBaNa：发光材料中可以看到很强的03P-10S跃迁发射，荧光寿命较长；激发光谱和发射光谱都为宽的带谱。33CeEu：稳定性好、发光效率高、色纯度好；以这两种为激活剂的发光材料激发和发射效率高，而且荧光寿命短。33CoFe：能级丰富，能级间隔窄，在发光材料中起着焠灭剂的作用；发射光谱大多为一个带谱，且与最低激发谱带有一定的交叠。12.10简述位形坐标模型的要点，并用该模型解释Stokes位移和温度粗灭现象。答：参见课本P242和P244位型坐标模型：（1）纵坐标表示包括发光中心离子及其周围离子在内的系统能量，这个能量包含电子和离子的势能和相互作用能；（2）横坐标表示中心离子及其周围离子互相作用的坐标，它是包括离子之间相对位置等因素在内的一个笼统的空间概念。Stokes位移现象的解释：将能量E对Q作图，得到体系的基态状态g为一抛物线，Q表示基态的平衡距离。图上的抛物线表示体系的激发态状态e，Q’是激发态的平衡距离。在低温下，材料吸收能量时，电子多半从基态的最低点Q开始跃迁，到达激发态抛物线上侧面一点，其能量ABE为激发能。当吸收能量跃迁到激发态后，体系会很快回到激发态的最低能级，将多余的能量传递给周围离子，当体系从激发态跃迁回到基态，这时体系发射的能量为EME。这两者只差就是Stokes位移。使发光被削弱或甚至完全消失的现象称为猝灭。常见的引起猝灭的因素有：发光体的温度上升，这时引起的或加强的猝灭，称为温度猝灭。12.11产生激光的过程是怎么样的？什么样的材料可以作为激光材料？答：参考P262第二段在某种基质晶体中掺入少量的光学活性离子，这种活性离子可以在基质禁带中形成分立的能级-基态和激发态。在稳定状态下，电子在各能级的占据率符合Fermi分布，即占据基态的电子数远远大于激发态。能够产生受激辐射的关键是材料具有亚稳激发态能级，能够产生”布局数反转“状态。材料需要有亚稳态的激发态能级就可以作为激光材料。12.12非线性光学材料对材料的对称性有什么要求？产生二次谐波的微观机理是怎样的？答：（1）材料的二阶非线性系数是三阶张量描述的性质，要使二阶非线性系数不为零，要求晶体不具有对称中心。（2）谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是