Guidance Manual for Physical Chemistry il 003156.01 Yixuan Che University of Science and Technology of China
Copyright © 2021 Yixuan Che. All rights reserved. Guidance Manual for Physical Chemistry III 003156.01 Yixuan Che University of Science and Technology of China
前言 从古代人类文明对铁器陶瓷的使用，到21世纪信息交流十分发达的年代，人们对 材料的认知和应用日趋精密和复杂。物质、能源和信息共同构成了人类社会发展的三大 支柱，而材料作为物质研究的重要分支，对科学社会的发展有着十分重要的作用. 材料科学与工程(Materials Science and Engineering,MSE)这一学科概念从20 世纪60年代首先被提出，包括金属、机械、陶瓷、电子、高分子和化工等多个专业领 域。基于中国科学技术大学的专业与课程设置，化学学院材料物理与材料化学两个专 业，以及工程学院部分专业的学生都需要修读材料类相关的专业课程.对于化学院材料 类专业本科的学生，一般需要修读《物理化学Ⅲ（原“固体化学”）》、《固体物理》、《固 体材料结构基础》、《材料制备与加工》、《材料研究方法》、《材料物性》、《材料力学》等 专业课程。 这本指导手册适用于《物理化学》的学习.《物理化学I》作为材料专业大三 学生的第一门专业课，在材料科学的学习具有十分重要的地位，是今后大多数材料类课 程的基础，共包括三大部分的内容.本指导手册基于该课程的课件编写，根据编者对这 门课程的理解分成对应章节，并将主干内容分条编写. 本指导旨在帮助同学们更好地对本课程的知识内容进行复习和梳理，内容大多是 基于国内外相关教材整理得到，严禁出版和商用.如果在使用过程中发现有笔误或纰漏， 或者对本指导有任何好的意见和建议，都可以通过邮件(zz03120mai1.ustc.edu.cn) 进行联系。 最后祝各位同学学业有成，祝这中国科大材料系的教育越办越好！ 分w不 2021年秋季学期
前 言 从古代人类文明对铁器陶瓷的使用，到 21 世纪信息交流十分发达的年代，人们对 材料的认知和应用日趋精密和复杂．物质、能源和信息共同构成了人类社会发展的三大 支柱，而材料作为物质研究的重要分支，对科学社会的发展有着十分重要的作用． 材料科学与工程（Materials Science and Engineering，MSE）这一学科概念从 20 世纪 60 年代首先被提出，包括金属、机械、陶瓷、电子、高分子和化工等多个专业领 域．基于中国科学技术大学的专业与课程设置，化学学院材料物理与材料化学两个专 业，以及工程学院部分专业的学生都需要修读材料类相关的专业课程．对于化学院材料 类专业本科的学生，一般需要修读《物理化学 III（原“固体化学”）》、《固体物理》、《固 体材料结构基础》、《材料制备与加工》、《材料研究方法》、《材料物性》、《材料力学》等 专业课程． 这本指导手册适用于《物理化学 III》的学习．《物理化学 III》作为材料专业大三 学生的第一门专业课，在材料科学的学习具有十分重要的地位，是今后大多数材料类课 程的基础，共包括三大部分的内容．本指导手册基于该课程的课件编写，根据编者对这 门课程的理解分成对应章节，并将主干内容分条编写． 本指导旨在帮助同学们更好地对本课程的知识内容进行复习和梳理，内容大多是 基于国内外相关教材整理得到，严禁出版和商用．如果在使用过程中发现有笔误或纰漏， 或者对本指导有任何好的意见和建议，都可以通过邮件（zz0312@mail.ustc.edu.cn） 进行联系． 最后祝各位同学学业有成，祝这中国科大材料系的教育越办越好！ 2021 年秋季学期 i
使用说明 本指导共包括七大部分. 基本要求这一部分在每一章的开头编写，包括每一章的主干知识和重难点，用 于宏观性的梳理和帮助建立知识体系. 知识梳理根据课件中的大体内容顺序、其他课程中的涉及部分和编者的自身理 解分条编写，用以帮助完善知识体系 例题在相关知识点后编写，包括课件中的代表性例子、其他参考书中的例子 和学科相关的例子，属于这一知识在实际生产中的应用. 复习题内容包括与本章内容相关的作业题，是必须掌握的部分，也是考试前复 习的重要参考，需要熟练掌握。 练习题这一部分作为补充习题给出，包括国内外各大知名教材中的习题，可供 学有余力的同学使用. 模拟试题这一部分可供期末考试前的练习使用，其考点不完全为主干知识，从 而达到检验同学们复习过程中是否出现了漏洞的目的. 参考答案包括复习题、练习题和模拟试题等试题的答案，其中复习题和模拟试 题给出详细的解答过程，部分练习题给出结果，分别在每一章的最后给出
使用说明 本指导共包括七大部分． 基本要求 这一部分在每一章的开头编写，包括每一章的主干知识和重难点，用 于宏观性的梳理和帮助建立知识体系． 知识梳理 根据课件中的大体内容顺序、其他课程中的涉及部分和编者的自身理 解分条编写，用以帮助完善知识体系． 例 题 在相关知识点后编写，包括课件中的代表性例子、其他参考书中的例子 和学科相关的例子，属于这一知识在实际生产中的应用． 复习题 内容包括与本章内容相关的作业题，是必须掌握的部分，也是考试前复 习的重要参考，需要熟练掌握． 练习题 这一部分作为补充习题给出，包括国内外各大知名教材中的习题，可供 学有余力的同学使用． 模拟试题 这一部分可供期末考试前的练习使用，其考点不完全为主干知识，从 而达到检验同学们复习过程中是否出现了漏洞的目的． 参考答案 包括复习题、练习题和模拟试题等试题的答案，其中复习题和模拟试 题给出详细的解答过程，部分练习题给出结果，分别在每一章的最后给出． iii
目 录 图片列表 ix 表格列表 0引言：固体化学20向 1 1品体与品体结构 7 本章其本要求， 11晶体结构，7 1.2晶体中原子的堆积 11 1.3常见品体的结构.，. 。 13 1.4影响离子晶体结构的因素 22 例题1. 27 复习题1. 练习题1. 32 参考答案与解析1. 32 2晶体中的缺陷 37 本章基本要求 37 2.1引言. .37 22非点缺陷···· 38 2.3点缺陷和缺陷反应方程式 41 2.4金属氧化物中的掺杂缺陷.··.·. 42 例题2.44 复习题2 4 练习题2，. 5 参考答案与解析2. 46 3金屈氧化物中的缺陷平衡 49 本章基本要求·。，。·。.，·，。· 知 31缺陷化学中的平衡热力学. 3.2二元金属氧化物中的本征缺陷平衡.· 50 33非化学计量金属氧化物的缺陷平衡.·.51 34多缺陷共存的复杂缺陷平衡体系······ 53
目 录 图片列表 ix 表格列表 xv 0 引言：固体化学 20 问 1 1 晶体与晶体结构 7 本章基本要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1 晶体结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 晶体中原子的堆积 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3 常见晶体的结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4 影响离子晶体结构的因素 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 例题 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 复习题 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 练习题 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 参考答案与解析 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2 晶体中的缺陷 37 本章基本要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1 引言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.2 非点缺陷 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3 点缺陷和缺陷反应方程式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.4 金属氧化物中的掺杂缺陷 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 例题 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 复习题 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 练习题 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 参考答案与解析 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3 金属氧化物中的缺陷平衡 49 本章基本要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1 缺陷化学中的平衡热力学 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2 二元金属氧化物中的本征缺陷平衡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3 非化学计量金属氧化物的缺陷平衡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4 多缺陷共存的复杂缺陷平衡体系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 v
目录 3.5恒定掺杂浓度体系的缺陷平衡 53 3.6变化掺杂浓度体系的缺陷平衡 53 3.7缺陷化学的应用.· .53 例题3.54 复习题3.55 练习题3 56 参考答案与解析3.。 56 4固溶体 61 本章基本要求 61 41写引言.61 42影响置换型固溶体固溶度的因素 62 4.3研究固溶体的方法 62 5固相反应 65 本章基本要求 65 5.1引言 65 52周相反应的执力学.，.，.，.，.，.，.，.，.，.，.。，.，.， 66 5.3一种固态物质的反应 5.4固-固反应和固气反应 5.5两种氧化物间的固相反应 70 5.5.1两种氧化物反应生成一种复合氧化物.·············. 70 5.5.2固相复分解反应 72 5.6固相反应的动力学 5.6.1固相反应的一般动力学关系. 73 5.6.2化学反应动力学控制的反应 74 5.6.3扩散动力学控制的反应 75 5.7影响固相反应的因索 ” ” 75 例题5.，. 76 复习题5 77 练习题5 79 参考答案与解析5】 6因体表面化学 83 本章基本要求 83 6.1引言. 83 6.2固体的表面及其结构 84 6.2.1固体的表面 84
− vi − 目 录 3.5 恒定掺杂浓度体系的缺陷平衡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.6 变化掺杂浓度体系的缺陷平衡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.7 缺陷化学的应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 例题 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 复习题 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 练习题 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 参考答案与解析 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4 固溶体 61 本章基本要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1 引言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.2 影响置换型固溶体固溶度的因素 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3 研究固溶体的方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5 固相反应 65 本章基本要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.1 引言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2 固相反应的热力学 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.3 一种固态物质的反应 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.4 固-固反应和固-气反应 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.5 两种氧化物间的固相反应 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.5.1 两种氧化物反应生成一种复合氧化物. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.5.2 固相复分解反应 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.6 固相反应的动力学 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.6.1 固相反应的一般动力学关系. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.6.2 化学反应动力学控制的反应. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.6.3 扩散动力学控制的反应. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.7 影响固相反应的因素 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 例题 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 复习题 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 练习题 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 参考答案与解析 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6 固体表面化学 83 本章基本要求 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.1 引言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.2 固体的表面及其结构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.2.1 固体的表面 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84