材料化学考试题库

材料化学复习题

一、概念

1．键能与点阵能

键能：在标准条件下将1mol 的气态AB 分子中的化学键断开，使每个AB 分子离解成2个中性气态

原子A+B 所需的能量。

点阵能：1mol 气态的M Z+和X Z-离子生成1mol MX 晶体时所释放出的总能量称为离子晶体的点阵能，

又称为晶格能。

2 删除不考 3

4．PVD 与CVD

PVD ：用物理过程制备薄膜的方法称为物理气相沉积法

CVD ：形成的薄膜材料除了原材料的组成元素外，还在基片上产生与其它组分的化学反应，获得与

原成分不同的薄膜材料，这种有化学反应的气相沉积称为化学气相沉积

5．热平衡等离子体与非平衡等离子体

热平衡等离子体：Te ＝Ti 时称为热平衡等离子体，简称为热等离子体。

特点：电子温度高，重粒子温度也高。

实际上，所谓完全热平衡状态是不能达到的。实际上比较容易形成的是各种粒子的温度几乎近似相等（Tg Ti Te ≈≈），组成也接近平衡组成的等离子体，这叫做局域热力学平衡态（LTE 态等离

子体），实际使用的LTE 态等离子体在温度约为k 43102~105??，且压力＞Pa 410条件下产生的。

非平衡等离子体：Te ＞＞Ti

特点：电子温度高达k 410以上，离子和原子之类重粒子温度都可低到k 500~300、一

般压力＜Pa 2

10下形成。按其重粒子温度也叫做低温等离子体（cold plasima ）。

6．弛豫界面与重构界面

弛豫界面：固体表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直距离偏离固体内部的晶格常数，而其

晶胞结构基本不变，这种情况称为弛豫

重构界面：是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但重直方向的层间间距与体内相同。

7．等离子体与等离子体鞘

等离子体：气体分子电离产生的带电粒子密度达到一定数值时，这种电离气体是有别于普通气体的

一种新的物质聚集态，列为物质的第四态。无论气体是部分电离还是完全电离，其中的

正负电荷总数在数值上总是相等的，故称为等离子体。等离子体就是指电离气体，它是

由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体。

等离子体鞘：当等离子体与容器壁接触时，表现出与普通气体截然不同的性质。等离子体不是直接

接触器壁的，而是在与器壁表面的交界处，形成一个电中性被破坏了的薄层，实验表

明，在这种情况下形成的薄层是一个负电位的区域，它把等离子体包围起来，如在放

电管中发生辉光放电时，即可看到等离子体辉光被靠近器壁的一层“暗区”包围的现

象，这个偏离电中性薄层就叫做等离子体鞘或称之为鞘层。

形成鞘层位置：器壁处；在插入等离子体的电极近旁；放置于等离子体中的任何绝缘体表面。

8．固体催化剂与助催化剂

固体催化剂：固体表面吸附的某些物质，可使固体表面的化学反应速度大大加快，将固体吸附剂吸

附了具有催化的吸附质后得到的一种新物质（固体吸附剂+有催化作用的吸附质）称

为固体催化剂，固体表面催化实质上是研究这种固体催化剂的表面结构、催化反应机

理等一系列问题。

助催化剂：以各种浓度加入的非活性组分，目的在于改善催化剂的催化性能。根据所起的作用，助

催化剂又可分为电子性助催化剂和结构性助催化剂。

9．聚合物的加聚反应与缩聚反应

加聚反应：按链锁反应机理进行的反应。有以下几种基元反应组成：生成活泼反应活性中心的引发

反应；活性链不断与单体进行链锁反应的链增长反应，活性链的链终止反应；活性链向

其他物质转移的链转移反应。特点是参加反应的单体一般本身不具有活性，但可在外界

的引发下形成活性中心，活性中心，一旦形成立即以极高的速度形成高分子。产物的分

子量基本不随时间变化，而主要取决于活性中心的数目。

缩聚反应：制备主链上含有杂原子的高聚物。用于制备特种材料。缩聚反应基于有机化学中的缩合

反应，通过官能团间的相互作用，结合成一个新的化合物和一个小分子。特点是有双官

能团的分子才能进行聚合，通过官能团间的作用，一个分子一个分子的聚合起来，反应

过程有逐步性，单体几乎立即消失，与时间无关，分子量却随时间的增长而增大，缩聚

反应无所谓引发、增长、终止基元反应，仅是官能团间的缩合。

11．固体的表面能

将原来位于固体内部，处于均匀力场作用下的质点转变成表面质点（通过分割，粉碎等方式），外界必须对体系作功，以切断其质点之间原有的部分结合键。外界对体系所作的这部分功，除了以声、光、热等形式消耗掉的之外，都为表面质点所获得并贮存于固体的表面，称为表面能。P T dA dG ,)(=σ。

12．固体酸和固体碱

固体酸：包括给出质子的酸(B 酸)(即布朗斯德酸 Bronsted)或可从反应物接受电子对的L 酸(即路易

斯酸 Lewis)两类固体。

固体碱：是指能向反应物给出电子对的固体称为路易斯碱，能接受质子（+

H ）的物质称布朗斯德

碱。

13．表面与界面

表面：指物体与真空或本身的蒸气接触的面。由于绝对的真空并不存在，许多场合下，把固相与气

相、液相与气相之间的分界面都称为表面。固体材料的表面指固体材料与真空或气

体相接触的面。

界面：是一个总的名称，即两个独立体系的相交处，它包括了表面、相界、晶界。界面不是几何学

上的平面，而是一个具有一定厚度的过渡区域，该区域厚度通常有一个到几个原子（分子、离子）的厚度。大量的研究工作表明，表面原子的排列情况与内部有较为明显的差别。由于位于表面的原子处于周期性排列突然中断的状态，具有附加的表面能，为了降低表面能提高体系的稳定性，表面原子的排列将自发地作出相应调整。

14．一次电池与二次电池

一次电池：一次电池是一种经常处于可工作状态、放电后不能靠通入反向电流使两电极的活性物质

恢复原来状态的电池。即一次电池中的活性物质放电耗尽不能再生。

二次电池：二次电池是一种电能的贮存器，电池反应可以正向进行，也可以逆向进行。放电时为一

自发电池，充电时则为一个电解池，充电后，电池容量得到恢复。好的蓄电池可以反复

充电千次以上。

15．光化学初级反应与光化学次级反应

光化学反应一般包括光反应的初级过程和次级过程。光化学反应的初级过程涉及激发态的反应步骤。光化学反应的次级过程是由初级过程中形成的中间产物所发生的后继反应。用式子表达如下：

激发过程）

(11*??→?M M L γ 构成较复杂的光化学反应?????????→+???????→++→+→***)()()()(2生成最终产物

次级反应生成中间产物无辐射退激过程热量辐射退激过程初级反应B A P P N M M M h M M γ 16．量子产率

量子产率：反应物吸收光经由光化反应生成产物的效率，可以用生成产物的量子产率来表征。是光

化学中极为重要的参数之一，它可以用于评价光化学反应的效率。在光化学中，所涉及

的量子产率包括反应物的量子产物和分步反应过程的量子产率。在提到量子产率时，应

明确指出是啊一过程的量子产率。

各个过程速度常数之和

某一过程速度常数量子产率= 光化学反应的量子产率与生成产物的化学过程速度常数成正比，与全部分步反应速度常数之和成反比，与反应物吸收的光量无关。

17．化学电源与燃料电池

化学电源：是一种能将化学能直接转变成电能的贮能或换能装置

燃料电池：是两个电极的反应物和生成物不储存在电池内部，而是由外部连续不断的供给反应物及

时从电池内部排除生成物的电池，能连续的把燃料的化学能直接转变成电能的装置

18．化学退激与物理退激

化学退激：光化学中，指由激发态分子（原子，离子）产生中间产物或直接生成产物的过程。 物理退激：把激发态分子（原子 ，离子）光辐射退激和无辐射退激过程称为物理退激。

由于激发态寿命很短，故对于一个有效的光化学反应欲生成大量的光化学反应产物，其化学退激的速度常数应远大于物理退激的速度常数。

二、简述题

无定型材料制备的基本原理

1）．必须使熔体金属以大于临界速度急速冷却，使结晶过程受阻而形成非晶态，不同成分的非晶态

金属的临界冷却进度可在102—107K/s 6个数量级之内变化，且多数非晶态合金可在105—106K/s 的冷却速度下获得。

2）．必须将金属玻璃冷到或低于它的再结晶温度，将这种热力学上的亚稳态保存下来，而不向晶态

转变。

化学方法制备多晶材料有哪些常用方法？与陶瓷法相比有哪些特点？

化学方法制备多晶材料可分为前驱体法，局部氧化还原法，局部离子交换法。

化学法能够得到陶瓷法所难以得到的高纯和均相的材料，并能在较低的温度条件下，采取较容易的方法来得到，制得的材料有很大表面积，对于制备催化剂载体或其它很细的粉体材料非常有用。陶瓷法：固体原料化合物在一定的较强烈的反应条件下（如加热至1000～2000℃甚至更高温度），晶体的原料粉末互相混合，通过接触的晶面发生离子的自扩散或互扩散，或原有化学键的断裂和新化学键的形成及新物相的生成，晶体结构产生变化，这种变化向固体原料内部或深度扩散，最终导致一种新多晶材料的生成。

陶瓷法的不足：Ⅰ．反应只能在相界面进行，随后的扩散过程也十分困难。

Ⅱ．反应最终得到的往往是反应物和产物的一个混合体系，极难分离或提纯。

Ⅲ．即使反应进行的再完全，也很难得到一个纯相的体系。

Ⅳ．还存在反应容器污染产物的问题。

晶体生长热力学与动力学

晶体生长热力学是在生长非常接近于平衡态下，预测生长量、以及成分随温度、压力和实验中其它变数而改变的情况。实际上，可以认为晶体生长是控制物质在一定的热力学条件下

进行的相变过程，通过这一过程使该物质达到符合所需要的状态和性质。一般的晶

体生长多半是使物质从液态（溶、熔）变为固态，成为单晶体。这就牵涉到热力学

中相平衡和相变的问题。

晶体生长动力学主要是阐明在不同生长条件下的晶体生长机制以及晶体生长速率与生长驱动力间的规律。包括：

晶体生长形态学：晶体生长形态与生长速率间的关系，晶体生长的理想形态和实际形态，环境相对晶体形态影响。研究晶体生长形态学有助于人们认识晶体生长的动力学

过程。

晶体生长的输运过程：包括热量、质量和动量输运。输运过程对晶体生长速率产生限制作用，

并支配着生长界面的稳定性，对生长晶体的质量有着极其重要的作用。

晶体生长界面的稳定性：涉及到晶体质量的优劣，当生长优质块状大单晶时，相变必须在稳定

的生长界面上发生，以便保持晶体结构基元排列的均一性。

所谓稳定性——在晶体生长过程中，当生长界面以宏观尺度来看是光滑的，但偶尔受到温

度、溶质浓度的起伏或外因干扰时，如果这些干扰随着时间的推移和晶体

生长过程的延续而逐渐衰减，最后自动消失，同时界面也随着恢复到原来

光滑面的状态，这种界面则是稳定。可通过界面附近熔体的温度梯度、溶

液中溶质的浓度梯度和界面效应来判断。

从化学角度看，等离子体空间与常规物态中的化学现象相比有什么特殊性？

1）在无催化剂条件下，由一些简单物质即可得到比较复杂的生成物。

2）常态下不活泼的物质，在等离子体态下可容易地参与各种化学反应。

3）氧化还原性质发生变化

4）高分子材料表面亲水处理和低温灰化

等离子体空间这些异乎寻常的化学现象表明，既然等离子体作为物质存在的又一种基本形态，那么以化学的角度来看，各种反应便是在新的“介质”中或者说是一种新“相”里进行的，这就必然有其新特点、新规律和新用途。

催化反应的几何对应原则与能量对应原则

几何对应原则：在多相催化反应中，分子的活性是通过与催化剂表面的化学吸附作用而实现的。也

就是说由化学吸附而形成活化络合物，再进一步的反应。如果这种化学吸附作用是

属于共价键的话，那么形成的表面键就有一定的方向性，要使反应分子活化，发生

化学吸附过程中就要有某些键的变形甚至断裂，使反应物分子中原有的键与催化剂

表面原子间的键长相对应，键角相似，即要求反应物分子结构和催化剂原子结构在

几何尺寸上接近，

能量对应原则：是指反应物与催化剂之间形成化学吸附所释放的能量与反应物断键和产物形成新键

所需的能量之间有一定的对应关系。最适宜催化剂的吸附势大致等于键能和的一

半，能量要求大致等于反应热的一半。s 、μ只和反应物键能有关，火山型曲线位置

只取决于反应本身，和催化剂本质无关，吸附势ｑ大小才取决于催化剂的本质。

从宏观电性能与能带结构角度比较导体、半导体和绝缘体的区别与联系。

1）从宏观电性能角度比较：

对于金属：是最好的导体，电导率σ≈104~105Ω-1cm -1；由μσne =公式，n 大且基本上不随温度而

变，σ中唯一可变的是μ（迁移率），由于μ随温度增加略有减小，σ也减小。

对于半导体和绝缘体：绝缘体很难导电，σ≤10-15Ω-1cm -1，而半导体介乎中间σ≈10-5~103Ω-1cm -1；

由μσne =公式，n 随温度按指数规律增加，这种n 急剧地增加的效应远超

过μ微弱减小的效应，因此σ随温度迅速增加。绝缘体是在常温下n 很小的

半导体的极端例子。

2）从能带结构角度比较：

金属的能带结构：最高占有带（即价带）仅仅部分充满，或者能带发生重叠。

绝缘体的能带结构：价带全满，且与下一个能带被一个大的禁带隔开。

半导体的能带结构：价带全满，且与下一个能带被一个相对于绝缘体禁带隙要小的禁带隔开。

（Eg=0.5~3eV ）。

试述熔融碳酸盐燃料电池的工作原理，用方程式表示各电极反应及电池反应；与其它发电方式相比，

燃料电池有何特点？

工作原理：由多孔性电极与夹在两电极间的熔融碳酸盐构成。如图所示：

负极：

H 正极：CO e CO O --→++2322221电池反应：O H O H 2222

1→+ 优点： 1．发电中没有多次能量转换过程，发电效率高

2．污染少，环境效益好

3．主机无运转部件，无须润滑，无噪声，启动快，故障少，重量轻

4．易建设，易维修

与热化学相比，光化学反应有何特点？简述光化学反应中适用的光。

光化学与热化学在基础理论上并无本质区别，都是用分子的电子分布与重排分布、大基团的立体效应和诱导效应来解释化学变化和反应速率等。

光化学反应与热化学反应的主要区别在于光化学反应是物质吸收光子能量使物质粒子由基态激发到能级较高的激发态，随即发生化学反应，而热化学反应是由基态开始发生化学反应的。由于原子，分子，离子的激发态与其基态的电子排布不同，从而导致化学反应性能的差别。与热化学反应相比，光化学反应的主要特点有：

1） 光化学反应是从物质吸收光子开始的；

2） 一个有效的光化学反应是激发态分子化学退激速度常数与物理退激速度常数相竟争的结果；

3） 光化学反应与热化学反应相比。其光化学反应的选择性更强；

4） 对于光化学反应来说，用光源辐照反应体系，不仅能提高化学反应速率，而且可以改变化学反

应平衡状态；

5） 光化学反应产物和产物的产率与光源辐射波长密切相关。

检测光化学反应中间产物寿命的方法

1） 寿命较长)10(s >τ的中间物，可以把样品直接放入光谱仪的样品池，在光辐照过程中随时观测

不稳定中间物的谱带特征。

2） 对于常温下短寿命的中间物，可以采用低温下光辐射，而后在低温下观测中间物的光谱特征，

但这一方法受中间体的次级反应是否敏感地随温度变化这一限制。仅对低温下发生次级反应相当缓慢的短寿命中间物，这一方法才是可行的。

3） 对于常温下寿命极短的中间物，需采用低温下光解，并检测生成的中间物的光谱或化学特征，

用这种方法可以观测初级光解产物的特征，并确定由随后发生的次级反应的产物。

4） 对于寿命极短)10~10(1211s --的中间物，闪光光解是研究中间物特性的得要方法。激光脉冲技

术使这一技术得到快速发展，该方法的原理是用高通量密度的激光脉冲，在极短时间内产生较高浓度的短寿命中间物，在脉冲作用后的极短时间内观测中间物的吸收或发射光谱特征，以提供反应途径的信息。

5） 检测中间物的其他方法如通过光辐照核磁共振腔内的样品观测化学诱导核自旋极化作用，研究

由快速的自由基复合形成产物的机理；化学捕捉剂检测中间产物，化学捕捉剂可以阻止短寿命中间物形成产物，由化学捕捉剂与短寿命中间物形成的其他产物可以判断某一中间产物的存在。 导体、绝缘体插入等离子体后等离子体会有何效应？分析鞘层形成情况

1） 电极近旁的鞘层

理想等离子体是等电位的，内中不存在电场，设等离子体空间电位为V p ，简称等离子体电位。若在等离子体中插入导体电极，并设该电极的电极电位为V s ，如果我们改变V s 的值，使V p ≠V s ，并接通外电路，那么电极上变会有电流通过，实际上相当于引入一个外电势作用于等离子体。等离子体则必然对外电势的扰动作出相应的反应，其结果是电极近旁的等电子体就不会再保持原来的状态了。

V p ＜V s 时，电极近旁形成的电场将吸引离子并阻尼电子，最终n i ＞n e 。随电场的增强，将会在距电

极一定距离范围内形成离子构成的空间电荷层称为离子鞘。

V p ＞V s 时，电极近旁形成的电场将吸引电子并排斥离子，最终n i ＜n e 。相应的在距电极一定距离的

区域内形成由电子构成的空间电荷层称为电子鞘。

2） 浮置基板处的鞘层

浮置基板插入等离子体后，因等离子体空间准电中性成立，离子、电子热运动动能相等，因二者质量不同，则速度不同，电子的平均速度远大于离子的平均速度，因此，初始时刻，到达绝缘体表面的电子数就会比离子多得多，将有电子过剩，从而使绝缘体表面出现净负电荷积累，即表面相对于等离子体区呈负电势，这个负电势将排斥向表面运动的后续电子，同时吸引正离子，直到绝缘体表面的负电势达到某个确定值使离子流与电子流相等时为止。这时浮置基板表面电位V f 趋于稳定，与等离子体电位之间的差值V p －V f 保持定值，将浮置基板上达到的稳定电势V f 叫做浮置电位。V f 是一个负电位，在浮置基板与等离子体交界处形成的是一个由正离子构成的空间电荷层，也就是离子鞘。凡与等离子体交界的任何绝缘性物体（如管壁）都会保持一定的浮置电位，其近旁也都会形成离子鞘，而浮置电位相对于等离子体总是负的，等离子体电位相对于任何与之接触的绝缘体总是正的。

总之，鞘层内已不再是等离子体状态了，其已偏离电中性。

试述氢-氧燃料电池的工作原理，用方程式表示各电极反应及电池反应；与其它发电方式相比，燃料

电池有和特点？

其工作原理如图：

负极反应： -++→e H H 222 正极反应：O H e O H 222212→++

-+ 电池反应：O H O H 22212→++ 燃料电池特点：与其它发电方式相比FC 有如下特点：主机无运转部件，易建设，易维修，比功率

高，污染少。