时间：2023-05-30 10:06:48
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇晶体结构，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
A. 具有规则几何外形的固体一定是晶体
B. 任何晶体中都含有化学键
C. 含有阳离子的晶体一定属于离子晶体
D. 含有阴离子的晶体一定属于离子晶体
2.右图为冰的一种骨架形式，依此向空间延伸，则x mol冰中含有氢键（ ）
A.2x mol B.4x mol
C.6x mol D.8x mol
3. 下列物质的熔、沸点高低顺序正确的是（ ）
A. C60>晶体硅
B. NaCl>Hg>HF
C. 离子化合物>共价化合物
D. 金刚石>生铁>纯铁
4. 在氯化钠晶体中，与某个Na+距离相等且最近的Cl-所围成的空间几何构型为（ ）
A. 正四面体 B. 正八面体
C. 正六面体 D. 正二十面体
5. 下列晶体：①Na2O2、②固体氨、③NaCl、④SiO2、⑤冰、⑥干冰，其中含有三种作用力的是（ ）
A. ①②③ B. ①②⑥
[A][B][C]C. ②⑤ D. ⑤⑥
6. 某晶体的结构如右图所示，这种晶体中A、B、C三种微粒数目之比为（ ）
A. 1∶4∶2 B. 2∶9∶4
C. 3∶9∶4 D. 3∶8∶4
7. 某晶体为体心立方晶格（如左图），实验测得其密度为ρ（g・cm-3）。已知它的相对原子 质量为a，阿伏加德罗常数为NA，假定晶体中原子为等直径的刚性球且处于体对角线上的三个球相切。则晶体中原子的半径r（cm）为（ ）
A. [2aNAρ3] B.[3?2aNAρ3]
C. [34?2aNAρ3] D. [12?2aNAρ3]
8. 元素X的某价态离子Xn+中所有电子正好充满K、L、M三个电子层，它与N3-形成的晶体结构如图所示。
（1）该晶体的阳离子与阴离子个数比为 。
（2）该晶体中Xn+中n= ，X元素的原子序数是 。
（3）晶体中每个N3-被 个等距离最近的Xn+包围。
9.目前，利用金属或合金储氢的研究已取得很大进展，右图是一种镍基合金储氢后的晶胞结构图。
①该合金的化学式是 。
②该合金储氢后，含1 mol La的合金可吸附H2的数目为 。
10.碳族元素C、Si、Ge、Sn、Pb：
（1）碳纳米管有单层或多层石墨层卷曲而成，其结构类似于石墨晶体，每个碳原子通过 杂化与周围碳原子成键，多层碳纳米管的层与层之间作用力为 。
（2）铅、钡、氧形成的某化合物的晶胞结构：Pb4+处于立方晶胞顶点，Ba2+处于晶胞中心，O2-处于晶胞棱边中心，该化合物的化学式为 ，每个Ba2+与 个O2-配位。
11. 铜是重要金属，Cu的化合物在科学研究和工业生产中具有许多用途。
（1）下图?????表示的是Cu晶体中微粒的堆积方式，其空间利用率为 ，配位数为 。若Cu晶体中一个晶胞的边长为a cm，则晶体的密度为 。
甲 乙 丙
（2）一种铜合金晶体具有立方最密堆积的结构，在晶胞中Cu原子处于面心，Au原子是处于顶点位置，则该合金中Cu原子与Au原子数量之比为 ；
摘要：自身的微观结构是物质的各种宏观性质源。物质与性质之间的关系则是物理、化学、材料科学以及分子生物等多种学科的重要研究内容。而对于与众多学科有着密切相关联系的晶体结构的分析，是测定固态无知的微观结构在原子层次上的主要手段。晶体结构分析服务于许多学科的同时也被许多学科所促进着。
关键词：晶体结构；物质内部结构； 衍射； X—射线单晶体结构； 分子生物学；同晶体置换法
作为物理学研究之一的晶体结构分析，主要是研究怎样能够利用晶态物质对x—射线、电子及中子的衍射效应来测定物质的微观结构。晶体结构分析与许多学科都是相辅相成的，它能够服务于许多学科，学多学科的发展也能对晶体结构分析产生深刻的影响。另外由于晶体分析拥有自己独体的体系，所以从它自身角度而言，是能够对所服务的学科起到促进作用的。
晶体结构是以物理学中几项重要进展为奠基，同时也是伦琴发现X—射线之后所创设的最重要学科之一。从1895年W.C Roentgen发现X—射线一直到1931年E. Ruska建造出第一台电子显微镜，这其中几年所发生的几项重大的物理学进展使人类对怎样在原子层次上研究物质内部结构有了重大突破，可以说是掌握了其研究手段。他们也因此而获得了当年的诺贝尔物理学奖。通过对物质内部结构与性质的关系进行研究得出了晶体结构分析能够有力的促进各个相关学科的发展。可以说，晶体结构分析的发展是一个在完善自身的同时不断扩大应用的过程。而诺贝尔奖的年谱也将记录下晶体结构分析历史上的重大事件并展示出其与其他各学科相互作用所产生的丰硕果实。
以X—射线衍射为代表的衍射分析方法和以电子显微术为代表的显微成像方法是晶体结构分析的两类主要方法。再加上电子显微成像也可以说是两上相继的电子衍生过程，所以说，晶体结构分析的核心是衍射分析。晶体结构同它的衍射效应之间所存在的互为Fourier变换的关系就是衍射分析方法测定晶体结构的理论依据。晶体向各个方向所发出的衍射的振幅和相位就是这里所说的衍射效应。通过衍射实验可以记录出各个方向上衍射波的振幅，但是由可以预见的未来及目前状况来看，想要找到有普遍意义的实用方法来记录由晶体发出的衍射波的相位是很难做到的。设法找回“丢失了的”相位则是从衍射效应的Fourier变换解出晶体结构的前提条件。以上就是对“相位问题”的简单解释了，它也是研究晶体结构分析方法的关键所在。
人们对有机物特别是生命物质内部结构所产生兴趣主要是由于晶体结构分析在无机化合物研究上所取得的成功。由于二十年代中期的分析技术和方法都还很原始，导致英国从那时开始历经十多年的研究却仍没有在有机物晶体结构研究中取得重大突破，直到三、四十年代晶体结构分析方法和技术大发展的时期。尝试法是早期的晶体结构分析用以解决相位问题的主要方法。其重点是根据自身掌握的线索猜想出一个结构模型，再根据这个模型计算出相应的一组理论衍射强度，从而将其与实验所依据的衍射强度作比较并据此对模型进行修改。经过多次反复实验，使之得到与理论的衍射强度相吻合的结论。实验科学往往类似于艺术创作，同样的方法也可以用来测定晶体结构。但是它却无法适应测定复杂晶体结构的需要。英国的W.L.Bragg和J.M.Cork早在二十年代后期便提出了用原子法和同晶型置换法来解决相位问题。这两种方法对于后来一系列有机物和蛋白质的晶体结构分析发挥了重大贡献，但是由于当时没有确定的它们所依赖的重原子的位置方法导致他们在诞生后的一段长时间里没有发挥很大作用。在Patterson通过几年的研究发展，最终形成的Patterson法和以它为基础的重原子法和同晶型置换法等成就了用以处理相位问题最有效手段的X—射线单晶体结构分析。再加上对实验技术和结构精修技术的改进，使晶体结构分析达到了一个机关报的不平并且终于将有机物和生命物质的大宝藏打开了。
美国的L.Pauling在1954年获得诺贝尔化学奖，他所领导的小组花了十几年时间测定一系列的氨基酸和肽的晶体结构后，通过对小分子结构规律的总结预言生物大分子结构特征最成功的范例就是得出形成多肽链构型的基本原则并在1951年推断多肽链将形成a—螺旋构型或折叠层构型。英国的D.Hodgkin领导的小组通过测定青霉素和维生素等一系列重要的生物化学物质的晶体结构而获得了1964年的诺贝尔化学奖。美国的W.N.Lipscomp则是通过对硼烷结构化学的研究而获得了1975年的诺贝尔化学奖。这些获奖的工作也都是以晶体结构分析为研究手段而取得的成果。换句话说，没有晶体结构分析自身在理论和技术上的日积月累，上面的几个诺贝尔奖就不会产生。
出自Cavendish实验室的两项发现在分子生物学上具有划时代的意义。第一项是1935年J.D,Watson和F.H.C.Crick将遗传学的研究推进到了分子的水平上，它根据X—射线衍射实验建立了脱氧核糖核酸（即DNA）的双螺旋结构。另一项是始于三十年代并且前后延续二十多年间牵涉到数位科学家的利用X—射线衍射分析方法测定肌红蛋白和血红蛋白晶体结构的工作，在1960年终于将这两个蛋白质的晶体结构测定出来，它也首次将大分子的内部结构揭示了出来，同时所运用的多对同晶型置换法也是测定生物大分子晶体结构的一种沿用至今的有效方法。它在原有的同晶型置换法的基础上又在实验技术和分析理论中加入了崭新的内容，这项工作的代表人物J.C.Kendrew和M.F.Perutz也获得了1962年的诺贝尔化学奖。
到现今为止，人们已经对晶体的性质和描述方法有了深入的认识，可以说，晶体物理学与其他材料物理学相比而言已经发展到了成熟的阶段。
参考文献：
中国科学院研究所 范海福《晶体结构分析及其发展》
【摘要】 目的 测试Schiff碱及其金属配合物的抑菌活性。 方法 采用溶液法合成Schiff碱及其金属配合物，用比浊法测定两者的最低抑菌浓度(MIC)。 结果 Schiff碱及其铜(Ⅱ)配合物对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌均有抑制作用。 结论 对二甲氨基苯甲醛缩1，3丙二胺合铜(Ⅱ)配合物的抑菌能力优于对二甲氨基苯甲醛缩1，3丙二胺。
【关键词】 苯甲醛类; 二胺类; 铜，希夫碱类; 晶体学
Schiff碱化合物大多具有生物活性，某些化合物还具有良好的抗病原微生物和显著抗癌活性[13]，过渡元素席夫碱配合物也有具有抗菌、抗癌、抗病毒等生物活性[4]。芳香醛缩二胺类Schiff碱的抑菌活性已有报道[5]。为了拓宽芳香醛缩二胺类及其配合物的研究领域，进一步了解该类化合物的结构特征和抑菌活性，笔者探讨Schiff碱 N，N'双对二甲氨基苯甲醛缩1，3丙二胺及其铜(Ⅱ)配合物的合成、晶体结构和抑菌活性。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 试剂 甲醇(Analytical Reagent，AR)，1，3丙二胺(98%)，4二甲氨基苯甲醛(99%)，DMF(AR)，NaOH(Chemically Pure)，MuellerHinton琼脂(中国检验检疫科学研究所，北京陆桥技术有限责任公司，批号070202)，028040MH肉汤(广东环凯微生物科技有限公司，批号200701031)，硫酸庆大霉素(郑州卓峰制药厂，批号8061911)，水为蒸馏水。
1.1.2 仪器 不锈钢手提式压力蒸汽灭菌器(YXQSG46280S，上海博迅实业有限公司)，生化培养箱(上海精宏实验设备有限公司)，Rigaku RAXISRAPID X射线单晶衍射仪(日本理学公司)。
1.2 方法
1.2.1 Schiff碱 N，N'双对二甲氨基苯甲醛缩1，3丙二胺的合成 称取反应物4二甲氨基苯甲醛0.895 2 g溶于50 mL甲醇中，加入1，3丙二胺0.25 mL，混合，以聚乙烯薄膜密封，室温下晶化7 d，得到淡黄色块状晶体，得率90.72%。滤过，晶粒用各5 mL甲醇洗涤2次，置干燥器中备用。
1.2.2 配合物N，N'双对二甲氨基苯甲醛缩1，3丙二胺合铜(Ⅱ)的合成 配合物 N，N'双对二甲氨基苯甲醛缩1，3丙二胺合铜(Ⅱ)仍然采用溶液法合成。取量：CuCl2·2H2O 0.342 3 g，Schiff碱1.003 3 g。先将反应物CuCl2·2H2O置烘箱105 ℃烘2 h脱水，至蓝绿色颗粒完全转变为棕色粉末。干燥冷却后，以20 mL甲醇溶解；Schiff碱溶解性稍差，需用100 mL甲醇溶解。混合物处理同1.2.1，但晶化时间长，需约10 d(秋季)，得率74.8%。
1.2.3 单晶X射线结构测试 选取尺寸大小为0.50 mm×0.4 mm×0.2 mm的配合物单晶，安装在玻璃纤维上，采用Rigaku RAXISRAPID X射线单晶衍射仪，用石墨单色化的MoKa射线(λ= 0.71073 )作为入射光源，在2.4°＜θ2σ(I)的条件的728个衍射点作为可观察衍射用于结构解析和修正。最后一轮修正所得偏离因子R＝0.061 8，wR2＝0.216，权重方案w＝1/[σ2(Fo2)＋(0.1117P)2＋0.9171P]其中P=(Fo2＋2Fc2)/3。最佳吻合因子S =1.063，末轮优化的最大参数位移(Δ/σ)max＝0.001，全部数据均经过Lp因子校正及半经验校正，对全部非氢子坐标及其各向异性热参数进行了全矩阵最小二乘法修正，晶体结构的解析和结构修正分别由SHELXS 97(Sheldrick，1990)和SHELXL97(Sheldrick，1997)程序包完成[6]。
1.2.4 抑菌活性试验
1.2.4.1 琼脂培养基制备 按标示量配比配制琼脂水溶液，用NaOH调节pH＝7.2～7.6，装入高压瓶中，用纱布封口，灭菌后备用。
1.2.4.2 培养液制备 MH肉汤用NaOH调节pH＝7.3±0.2，加热使之完全溶解后，分装到约20根洗净干燥的小试管内，每根试管装1 mL，加塞。高压15 min后，置冰箱保鲜备用。取5根装有2 mL肉汤的试管分别接种3种菌种后，于培养箱中37 ℃培养 12～18 h。
1.2.4.3 对照 取c0＝1.5×10-3mol/L对二甲氨基苯甲醛缩丙二胺、c0＝1.24×10-6 mol/L的对二甲氨基苯甲醛缩丙二胺合铜(Ⅱ)的DMF溶液，采用二倍法稀释，以DMF作空白试验。分别取0.1 mL绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌菌液，加2 mL肉汤混匀调至与麦氏比浊液的澄清度一致，分别加0.1 mL于10根试管中，用硫酸庆大霉素(原液)做阳性对照。于培养箱中37 ℃培养24～26 h后，观察结果。
2 结 果
2.1 配合物晶体结构 对二甲氨基苯甲醛缩丙二胺合铜(Ⅱ)晶体属于单斜晶系，空间群C/2c。配合物的晶胞参数：a＝22.360 2(14)nm，b＝13.527 9(7)nm，c＝18.118 2(11)nm，α＝90(0)，β＝112.558(6)，ν＝90(0)，V＝5 061.21(5)3，Z＝4，DC＝1.48 g/cm3，分子式 C44H62Cu2N8O2·2(CuCl2)，Mr＝1 131.98，F(000)＝2 327.5，μ＝1.91 mm-1。配合物的部分键长、键角参数列于表1。表1 Cu(Ⅱ)配合物的部分键长()、键角(°)
2.2 抑菌效果 对二甲氨基苯甲醛缩丙二胺与对二甲氨基苯甲醛缩丙二胺合铜(Ⅱ)的抑菌效果见表2。表2 Schiff碱与其Cu(Ⅱ)配合物的最小抑菌浓度
3 讨 论
对二甲氨基苯甲醛缩丙二胺合铜(Ⅱ)晶体可归属为笼状结构，配位单元为二价离子(配位中心为Cu2+，配体为中性分子)，其电价由离散的CuCl2(氯化亚铜)平衡。
体外抑菌实验表明，Schiff碱(对二甲氨基苯甲醛缩丙二胺)对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌的抑菌MIC数量级为10-4mol/L，对二甲氨基苯甲醛缩丙二胺合铜(Ⅱ)的抑菌MIC数量级为10-7mol/L。显然，Schiff碱铜配合物的抑菌效果明显优于Schiff碱，与文献报道的规律一致[5]。
(致谢：本文获福州大学分析测试中心林韵老师、福建医科大学药学实验中心帮助，谨致谢忱。)
参考文献
[1] 毕思玮，刘树祥.氨基酸水杨醛席夫碱与铜(Ⅱ) 配合物的合成及其抗菌活性和稳定性、结构间的关系[J]. 无机化学学报，1996，12(4)：423426.
[2] Hoddnett E M，Mooney P D. Antitumor activities of some Schiff bases[J].J Med Chem， 1970，13(4)：786.
[3] Hoddnett E M ， Dunn J W. Structureantitumor activity correlation of some Schiff bases[J]. J Med Chem.，1970，13(4)：768770.
[4] 张建民，李瑞芳，刘树祥. 过渡金属席夫碱配合物的稳定性及其杀菌活性[J]. 无机化学学报，1999，15(4)：493496.
【关键词】 不对称合成;绝对构型;晶体结构
含有2个杂原子且其中1个杂原子为N的五元环体系称为唑。根据杂原子在环中位置不同，可分为1，2-唑和1，3-唑。五元环中杂原子为N、O的化合物是噁唑类化合物，其种类较多，有噁唑、噁唑啉、噁唑烷、苯并噁唑等。噁唑类化合物是一类重要的杂环化合物，一些含有噁唑环的化合物往往具有生物活性[1]。比如，分子结构中含有噁唑环的聚苯并噁唑是耐高温的高聚物，2-氨基噁唑具有杀真菌、抗菌、抗病毒等作用[2]，同时噁唑类化合物在中间体、药物合成中也具有广泛的用途[3-5]，可以用做有机催化反应中的配体等。四氢噁唑啉的2位上如果引入一个取代基则2位碳原子是手性碳原子，具有光学活性的该类化合物在不对称合成上有很多用途。我们以(1R， 2S)-茚氨醇为原料在无催化剂条件下一步合成了光学活性噁唑烷化合物(图1)[5]，将其应用于末端炔烃对醛的不对称加成，取得了很好的效果。图1标题化合物的合成路线本文报道该化合物的合成和晶体结构。
1材料和方法
1.1仪器和试剂红外光谱使用Nicolet Avatar 360 RT-IR红外光谱仪测定 (KBr 压片);1H NMR: Varian-Inova-400 MHz (TMS为内标) 核磁共振仪记录;CDCl3为溶剂，TMS 为内标;熔点在WRS21 型熔点仪上测定，温度计未校正;旋光度：Autopol IV automatic polarimeter 测定，波长598 nm (Na D line);HRMS Varian-Inova -Saturan2200;晶体结构在Siemens P4 型四圆衍射仪上测定;反应溶剂均为分析纯。
1.2标题化合物的合成50 ml反应瓶中加入(1R，2S)-茚氨醇1.49 g (10.0 mmol)，4-甲氧基苯甲醛 (10.0 mmol)，溶剂二氯甲烷(20 ml)，室温搅拌24 h，TLC检测 (展开剂中需加几滴三乙胺)反应结束后，蒸除溶剂，乙酸乙酯/石油醚 (1/6) 重结晶，得无色柱状晶体产物(I)，该单晶应用于X-ray实验，产率91%，mp. 87℃~88℃; [α]25D=+52.0 (c 1.00，abs. EtOH);dr=1∶3 (determined by 1H NMR);1H NMR (400 MHz， CDCl3) δ7.78-7.06 (m， 8H)， 5.10-5.06 (m，2H)， 4.94 (m， 1H)， 3.86-3.77 (m，3H)， 3.31-3.16 (m，2H)， 2.58 (s，1H); IR (cm-1): 3272，2917，1613，1513，1428，1243，1034，756;HRMS (EI+) calc for [C17H17NO2]+ requires m/z 267.1259， found 267.1248。
1.3X射线衍射实验与晶体结构分析晶体学数据和衍射强度数据的收集在Siemens P4型四圆衍射仪上进行0.60 mm ×0.52 mm×0.42 mm 的无色长方体晶体置于装有单色器的四圆衍射仪上，用MoKα(λ= 0.071073 nm) 辐射和ω扫描方式收集衍射数据，在6.58°
2结果与讨论
标题化合物的结构可以从光谱上得到初步证实，1H NMR谱图表明产物有2种异构体，其比例为1∶3，7.78-7.06 (m，8H)为苯环上氢的吸收峰，3.31-3.16 (m，2H)为环戊环上2个亚甲基氢的吸收峰，3.86-3.77 (m，3H)为甲氧基上3个氢的吸收峰，2.58 (s， 1H)是活泼氢。红外谱图中，在3 272 cm-1有仲胺的吸收单峰。高分辨质谱确定了相对分子质量为267.1248。为进一步确定产品的结构，我们进行了X射线单晶衍射分析，表1为标题化合物分子的主要晶体结构数据，表2为标题化合物主要键长数据，表3为标题化合物主要键角数据。表1合成化合物晶体数据图1为标题化合物的分子结构透视图。单晶衍射表明在分子中存在3个平面：茚环平面、噁唑环平面和4-甲氧基苯环平面。噁唑环采取的是信封式构象，N1在噁唑环平面的上方，偏离平面0.4508(0.0029)，4-甲氧基苯基环与噁唑环(C1/O1/C2/C3/N1)所确定的平面的二面角是57.11(7)°，噁唑环(C1/O1/C2/C3/N1)与C2/C3/C10/C5/C4所在平面的二面角是76.25(7)°。分子的晶体结构堆积图见图2。通过晶体结构确定了反应中生成的手性碳的绝对构型为S构型。表2合成化合物主要键长表3合成化合物主要的键角图2合成化合物分子结构透视图
图3合成化合物晶胞堆积图
参考文献
[1]花文廷. 杂环化学[M]. 北京：北京大学出版社，1991：223.
[2]Murali Dhar TG， Guo J Q， Shen ZQ， et al. A modified approach to 2-(N-Aryl)-1，3-oxazoles: application to the synthesis of the MPDH Inhibitor BMS-337197 and analogues [J]. Org Lett，2002， 4 (12)：2091-2093.
[3]Jin Z. Imidazole， oxazole， thiazole alkaloids [J]. Nat Prod Rep，2006，23：464-496.
1.对化学学习过程中错误的认识
“错误”的分类可以大致分为认知性错误和非认知性错误，或者分为知识性错误，逻辑性错误，策略性错误和心理性错误.结合化学学科特点，化学学习过程中学生产生错误主要有以下原因：对化学用语的理解与应用困难、化学概念掌握不清、已有知识或经验的不足、思维定势、知识与能力的负迁移等.所以化学教学中必须关注学生的错误，让错误成为学生求知兴趣的“导火索”，成为学生合理建构知识与技能的“切入点”，成为学生理解难点的“突破口”.
2.化学课堂有效利用“错误”的策略
（1）精心预设错误，促进动态生成
“错误”是学生学习必不可少的，如果我们教师能结合自己的教学经验，基于学生的认知特点，在教学过程中精心预设“错误”，往往能收到意想不到的效果，能促进化学课堂动态生成.如在学习同分异构体的概念时，可以设置如下问题让学生自主分析与判断.下列各组物质中，两者互为同分异构体的是（ ）.
A.CHHClCl 和CHClHCl
B. 金刚石与石墨
C.16O和18O
D. CH3CH2CH3与CH3CH2CH2CH3
E. CH3CH=CH-CH=CH2与CHCCHCH3CH3
较多学生因对CH2Cl2空间结构的忽视而错选A项，通过学生自己搭建CH2Cl2分子的模型，体会A项中是同一物质.引导学生认识这样的事实为CH4的正四面体提供了佐证.进一步引导学生对“同分异构体、同系物、同素异形体、同位素、同一物质”概念的内涵和外延比较，促进本质地理解.
（2）关注错误本源，发展学生思维
美国著名数学家G・波利亚曾形象地指出：“好问题同某种蘑菇有些相像，它们都成堆地生长，找到一个以后，你应当在周围找一找，很可能附近就有好几个.”例如，在选修3《离子晶体》的教学中，分析探究NaCl的晶体结构是本节教学内容的一个生长点，因为既是对前面所学的晶胞概念和均摊法的进一步深化，又是学习CsCl晶体结构的前提，有利于学生掌握学习离子晶体结构的一般方法.所以在学习NaCl的晶体结构时，要求学生能充分利用模型、图片等工具从不同角度自主探究NaCl的晶体结构：每个晶胞中含有几个Na+和Cl-？Na+和Cl-的配位数各是多少？每个Na+周围等距离且最近的Cl-在空间上构成什么结构？每个Na+周围等距离且最近的Na+有多少个？为了巩固学生对NaCl的晶体结构的掌握，并能在新情境下有效迁移解决问题，设置了问题1和问题2要求学生思考回答.
问题1 高温下超氧化钾晶体呈立方体结构，晶体中氧的化合价部分为0价，部分为-2价.如右图所示为超氧化钾晶体的一个晶胞（晶体中最小的重复单元），则下列说法正确的是（ ）.
图1 超氧化钾的
晶胞结构A.超氧化钾的化学式为KO2，每个晶胞含有4个K+和4个O-2
B.晶体中每个K+周围有8个O-2，每个O-2周围有8个K+
C.晶体中与每个K+距离最近的K+有8个
D.晶体中，O价氧与-2价氧的数目比为2∶1
问题2 CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体的相似（如图2所示），但CaC2晶体中哑铃形C2-2的存在，使晶胞沿一个方向拉长.CaC2晶体中1个Ca2+周围距离最近的C2-2数目为 .
图2 CaC2晶胞结构教学过程中，我们发现85.2%的学生能正确回答问题1，通过访谈出错的学生问题主要是对NaCl的晶体结构特点模糊，不能正确迁移解决问题.而问题2的正确率仅为51.9%，通过学生分析解决问题的思维过程，发现对题干中的关键信息的获取和加工能力不够，审题不够仔细，没有把握两者的差异，出现思维定势.
（3）引导反思错因，积极建构知识
教学实践说明学生出现错误的背后必然有知识、能力、方法等方面的原因，而且错误本身又具有顽固性，如何让错误成为一种“美丽”，真正内化为学生的知识结构和有效提升学习能力和方法的基点，离不开学生自己积极主动的反思与建构.
例如：有一家工厂曾将一瓶红棕色的液体送给德国化学家李比希检测，李比希凭经验武断地认为该液体为氯化碘（化学式为ICl，性质和溴非常相似）.1824年看到法国巴拉尔发现溴的报道后，忏悔不已.下列关于ICl的有关说法中不正确的是（ ）.
A.I-Cl键为极性共价键
B.ICl分子为非极性分子
C.该物质在反应中通常体现氧化性
D.在反应ICl+2NaOH=NaCl+NaIO+H2O中作氧化剂
此题学生的错误率很高，教师在讲评中可以引导学生从三个层次反思：
①反思错因：对关键信息“ICl性质和溴非常相似”机械迁移，导致ICl与NaOH反应特点“ICl各种元素的化合价并没有改变”不清，造成漏选D.
②如何避免类似错误发生呢？要注意相似性和差异性，要学会分析类似ICl等物质中元素的化合价，如何分析？
关键词：同多钒酸盐；溶剂热合成；晶体结构
多金属氧酸盐（Polyoxometalates）（简称为多酸，POMs）的研究已经有近百年的历史。多酸在吸附、催化、磁性材料、医药等方面具有较大的应用前景[1-3]。
目前，对于含Mo和W的多酸是研究的热点，但是对于多钒酸盐的研究在深度和广度方面不及Mo和W[4-5]。近些年来，学者们发现多钒酸盐在氧化催化等性能上比Mo和W多酸盐更为有效，并且多钒酸盐在合成方面结构及尺寸更加可控，越来越受到人们的重视。[V2O6]2-是结构较简单的双核钒酸盐，可以较容易与过渡金属及配体形成结构新颖的配合物[6-8]。文章选用[V2O6]2-为基本单元，通过改变反应时间、反应原料的配比、反应温度等条件合成了一种具有新颖结构的多金属氧酸盐[{Mn（H2O）2（gly）2}{V2O6}]n。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
试剂：偏钒酸铵、硫酸锰、甘氨酸、无水乙醇均购买于市面。
仪器：Perkin-Elmer的元素分析仪（2400 CHN）和差热-热重分析仪（TGA-7）、德国Bruker公司的X射线单晶衍射仪（2400 CHN）。
1.2 化合物的合成
将2.5mmol NH4VO3，5mmol Glycine，2.5mmol MnSO4・H2O溶解于适量的蒸馏水中，放在磁力搅拌器上于加热至60℃溶解，将混合的溶液冷却至室温，过滤处理，将滤液于室温下静置一周后，生成黄色的晶体，产率为60%（以锰计）。经过化合物的元素分析以及ICP测试后，确定分子式为：[{Mn（H2O）2（gly）2}{V2O6}]n。该化合物的部分键长及键角如表1所示。该化合物的晶体学数据如表2所示。
2 晶体结构
该化合物是由Mn和甘氨酸配体配位形成的具有2D结构的配合物。该化合物单体椭球图如图1所示。
从椭球图中可以看出，该化合物中心的过渡金属Mn为六配位，分别与两个水中的O原子、两个gly配体的O原子、两个VO4四面体上的O配位。V和VO4四面体上的端氧O3和O5与Mn交替连接成2D层状结构，如图2所示。所示。通过氢键将2D层状结构连接成3D结构，如图3所示。其中，N1-H1B...O4键长为3.116，N1-H1B...O5键长为3.036。
3 结束语
文章选用溶剂热合成技术合成了新型以[V2O6]2-为基本结构单元、过渡金属Mn和配体甘氨酸配位的2D层状结构配合物。通过元素的分析及热重的测定分析，确定化学式为[{Mn（H2O）2（gly）2}{V2O6}]n。通过氢键作用将二维层状连接成三维结构。通过对该化合物的合成及研究，我们可以更加深入的了解对矾酸盐化合物的成簇条件，为同多钒酸盐的合成提供了一定的理论基础。
参考文献
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据国外媒体报道，钻石象鼻虫（diamond weevil）的乌黑的翅膀上覆盖着波光粼粼、彩虹色的鳞片，就像披着一件镶满宝石的大衣。自从19世纪初发现象鼻虫以来，研究人员就一直在研究象鼻虫身上的这些“钻石”，但一直没有人知道象鼻虫身上的鳞片为什么会反射如此多彩的光。
直到最近，一项新的技术终于发现了象鼻虫身上五彩“珠宝”的秘密：甲壳素晶体以钻石型排列，反射阳光中的绿色、黄色和橙色。大多数人认为钻石是由碳组成的，但其它材料也可以构成相同的晶体结构，称为“钻石立方（diamond cubic）。” 荷兰格罗宁根大学（University of Groningen）的生物物理学家博多・威尔茨（Bodo Wilts）说：“材料科学家看到这些鳞片，激发了研发新材料的欲望。现在我们已经有了一些新发现，这些自然产生的微小结构远远超出人类的设计。”
研究表明，此鳞片是一种光子晶体（photonic crystal），与蛋白石非常相似。每一种光子晶体反射特定方向的特定波长的光。同时，非光子晶体反射类似方向的多种波长的光，但不发出彩色的光。威尔茨的团队利用先进器材研究密布于象鼻虫身上的光子晶体。
在光学显微镜下，钻石象鼻虫翅膀上的每一个凹面充满了数以百计的水滴形鳞片。鳞片由甲壳素组成，甲壳素是一种在动物王国随处可见的生物聚合物，从昆虫到螃蟹，甚至蘑菇。威尔茨说：“这些鳞片很小，但甲壳素使得它们非常强硬。”
进一步放大显示，每个鳞片划分成色彩斑斓的部分。威尔茨说：“由于光线角度的变化，所以鳞片的颜色随之变化。” 每个鳞片约100微米长，50微米宽和5微米厚。
扫描电子显微镜（scanning electron microscope ）显示循环的晶体结构，主要是条纹或单向皱纹。几十年来，研究人员在显微镜下观察钻石象鼻虫，他们怀疑条纹本身不是组成晶体结构的材料，而是使象鼻虫显示彩虹颜色的物质。威尔茨说：“之前科学家肯定没有合适的工具，他们没有电子显微镜或先进的光学技术。”
对于高度有规律性和循环的光子晶体，它们闪耀着细小而强烈的光，显示超晶格结构的迹象。一个玻璃吸管（左边的黑条）在中心支撑着钻石象鼻虫的一个鳞片。当一个非常集中的50微米宽的白色光点击中这个鳞片时，它将光的颜色喷洒到相机传感器上。斑片状的颜色就可以进行分析，以揭示晶体的最基本的单元（右边的LUXWK组成的形状）。在这种情况下，甲壳素晶体以六边形和正方形规则排列（右边灰色的3-D图形）。
根据以上的分析，物理学家可以确定晶体的结构。根据不同的角度，一只钻石象鼻虫的微小的鳞片可以从正方形晶体部分反射蓝绿色的光，从六边形部分反射橙黄色的光。现在知道了它们的结构，该技术可用于分析蝴蝶和鸟类的光子材质，威尔茨表示，材料科学家可以研发新型油漆、电子屏幕，甚至更好的太阳能电池。
但是，合成光子晶体制造技术的开发还有一段很长的路要走，威尔茨的团队将象鼻虫的光子晶体作为研究重点。他说：我们很想知道象鼻虫身上五彩“珠宝”的生物学功能是什么，最好的解释是，它作为传递信息之用，以及吸引配偶。
（来源：腾讯科技）
化学软件辅助教学计算机应用在基础理论化学的教学中，由于原子分子的微观结构无法通过肉眼直接观察，化学反应的过程也难以用宏观模型进行形象的描述，对学生来说比较抽象，利用适当的软件设计一些有助于学生理解和掌握化学知识的课件，会使枯燥无味的化学结构和化学反应变得生动形象，能让学生更深入直观地了解物质的微观结构，理解化学的本质。
一、计算机在化学教学中的适用范围
计算机辅助教学在化学教学中，尤其适用于理论性和抽象性较强的内容，例如原子核的组成、电子云、核外电子的运动、分子的结构、构型和构象、化学键的形成、离子反应和离子方程式等，适用于模拟实验难以操作、危险性大或反应现象不明显的内容。
二、化学教学中常用的计算化学软件
计算化学软件作为化学化工领域中最常用的工具，无论在科研或者教学中都担负着重要的作用。化学教学中通常应用到下列软件：
1.ChemDraw
ChemDraw软件美国CambridgeSoft公司推出的一款优秀的商业化化学软件ChemOffice中的模块之一。ChemDraw中存贮了大量的分子结构图形、原子轨道、分子轨道和电子云图的图形，在化学教学中主要用于绘制有机分子结构式及反应方程式等，ChemDraw中的实验装置绘制模版则是绘制反应流程及实验仪器装置图的重要工具。
2.Gaussian
Gaussian程序是目前国际上最为流行的量子化学计算软件之一，GaussView是Gaussian的图形用户界面，其主要功能是可以很方便而精确地作出各种原子、分子及过渡态的空间结构。和一般化学作图软件相比，它更加专业和精确，可以直接让学生观察了解各种物质的键长、键角、电子云分布等微观结构以及分子内部的各种振动。
3.Materials Studio
Materials Studio软件包是Accelrys公司开发的，是常用的分子设计和模拟软件，可进行量子力学、分子力学、分子动力学计算。Materials Studio软件包功能非常强大，主要由这样几个模块组成：构造分子；优化分子结构；研究分子反应；观察轨道和电子图谱；研究分子动力学。
Materials Studio可以快速准确地获得分子的构型与结构参数，通过对分子的结构进行分析，运用所得的结果来解释或预测化学反应的性质。除此之外，也可以计算出分子的静态性质，通过这些数据我们可以预测化学反应的位置、说明化学反应的途径和机制、解释分子的动力学行为等，在教学中可以达到事半功倍的效果。
（1）Materials Studio在晶体结构教学中的应用
在化学中，晶体的结构和对称性是学生不易掌握的内容，主要原因是该部分涉及三维空间变换，单纯板书式教学对学生的理解作用不大。利用Materials Studio的建模功能，可以方便地建立各种晶体的三维模型，直观化地展示其结构和对称性等特点。图4是面心立方NaCl在不同视角下的晶体结构图，我们可以直接得到NaCl的晶体结构，同时可以看到NaCl是立方密排晶格（ABCABC）。
此外，点击菜单build中的symmetry还可以得NaCl晶格的原胞。同时，Materials Studio还允许自由的创建晶体结构，只要已知空间群类型、晶体结构参数和元素类型，我们就可以任意的创建晶体。如果按下Find Symmetry选项，便可看到已找到的NaCl晶体的对称性为FM-3M，在教学中展示这种效果，能使学生容易理解晶体的对称性的类型。
（2）Materials Studio在电荷密度教学中的应用
在讲授极性分子和非极性分子过程中，常常提到原子电荷分布情况及对物质化学性质的影响。Materials Studio中原子电荷显示功能，使电荷分布一目了然。以Si来作为示范，在Volumetic Selection中，选择显示total electron density，会将场给显现出来。这个场是电子在空间中的分布，Isosurface则是显示出等位面。这里将电位以颜色来区其高低，在等电位密度中做出电位高低的图，可以让学生清楚地了解极性。
（3）原子轨道显示在教学中的应用
Materials Studio可以轻松地对各种原子轨道能量进行计算并获得其空间图像。利用Element可以调出一个元素表，可以直接选择元素，例如乙烷，在工具列中，选取CASTEP的计算套件计算原子轨道，在Task中选择Energy，它在计算基态能量之后，就可以分析原子轨道了。
三、结束语
使用最新的化学计算软件，采用新颖的教学形式和教学手段，直接在屏幕上显示三维构型，同时可以任意旋转操作，使同学们的兴趣大增，而且通过计算机辅助教学的动画模拟，使得微观抽象的知识点更具体形象化，便于学生理解和掌握，收到很好的教学效果。
参考文献：
[1]王守绪.计算机技术在化学中的应用研究进展[J].化学研究与应用，2000，12（4）：119.
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[3]叶国东.量子化学软件Gaussian应用于无机化学教学[J].广东化工，2010，37（4）：220.
【关键词】 材料学;材料科学基础;教学改革
材料是人类生存和发展的基础。纵观人类利用材料的历史,可以清楚地看到,每一种重要材料的发现和利用,都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平,给社会生产力和人类生活带来巨大的变化,把人类物质文明和精神文明向前推进一步。可以说没有半导体材料的开发和工业生产,便不可能有目前的计算机技术和现代信息技术革命;没有现代的高温高强度结构材料,便没有今天的宇航科技;没有低损耗的光导纤维,便不会出现光纤维的长距离传输,也无当前的光通信可言。高等院校深刻感受到材料对社会影响的方方面面,深刻认识到现代社会对材料学方面人才的需求。
我国各大高校纷纷设立了材料学院,并建立健全了材料学方面各类培养课程。材料科学基础是材料学专业学生必修的专业基础课。通过材料科学基础课程的学习, 可使学生掌握材料科学基础领域的基本理论知识和实验操作技能,以利于学生学习材料学专业的后续课程。[1-6]本论文通过分析材料学专业材料科学基础课程教学中存在的问题,阐明了材料学专业进行材料科学基础教学改革的必要性,并结合本人讲授材料科学基础过程中的体会,初步探讨了如何提高材料科学基础的教学效果,并对教学内容,教学方法等方面的改革进行了探讨。
1.材料学专业材料科学基础教学改革的必要性
随着现代社会对材料学人才的大量需求,材料学专业已逐步成为全国各大高校重要的组成部分,但由于专业的性质,材料学专业也是高校中最难学习的专业之一。要成为一个材料学专业合格的本科毕业生,既要具备化学方面的基础,又要物理方面的基础,还要掌握材料化学,材料物理等材料专业的知识。但由于学生大学学习的时间是有限的,这就造成材料学专业课程设置时,存在“课时紧,任务重” 的问题。以材料科学基础为例,材料学专业材料科学基础授课时间一般不少于120学时,而纵观全国各大高校材料学专业,材料科学基础通常为54学时,个别为72学时,且大多没有实验。这并不意味着材料学专业对材料科学基础的要求低,而是由于材料学专业课程多、学时紧等原因导致的无奈之举。材料科学基础学时少造成学生对材料科学基础的知识掌握肤浅,很难真正体会材料科学基础的本质,同时也影响了后续材料学专业课的学习。另外,不设材料科学基础实验,学生的动手能力得不到锻炼,在进行后续课程时没有任何基础,从而影响了其它材料学专业实验的顺利进行。总之,材料学专业材料科学基础教学存在的诸多弊端已严重地影响了材料学专业学生的正常学习,因此,材料学专业材料科学基础教学改革势在必行。
2.材料科学基础的课程内容和特点
材料科学基础是一门古老又新兴的课程,它是一门理论性强,内容丰富,掌握起来有相当难度的课程。同时,它也是一门重视实验,能够培养学生动手能力的课程。具体来讲,材料科学基础主要内容分为三大模块:第一模块为晶体结构和缺陷,包括各种晶体的空间结构、可能出现的各种缺陷及缺陷的表示法。本模块内容约占总学时的25%～35%;第二模块为原子及分子运动、材料的变形和再结晶,本模块内容约占总学时的45%～55%;第三模块为单元及多元相图,包括晶体的凝固和相图的关系、相图的分析等,本模块内容约占总学时的15%～25%。分析各模块的主要内容,可以提炼出材料科学基础主要包括晶体的结构及表示方法。[7-9]
3.材料学专业材料科学基础课程改革研究
3.1 教学内容改革
根据材料科学基础的主要内容和课程特点,结合材料学专业对材料科学基础的要求,我们对材料科学基础教学内容主要进行了如下改革:“精简内容,把握重点,强调相关。”材料科学基础经过上百年的发展,内容已经相当丰富,而且还在不断更新。如此庞大的内容仅仅通过短短的54学时或者72学时来顺利完成全部教学内容几乎是不可能的,因此,精简教学内容是材料科学基础教学必须进行的环节。针对材\料学专业的特点和材料学专业对材料科学基础的要求,并考虑到材料学专业材料科学基础没有实验的实际情况,我们对这三大模块进行了以下改革:首先,精简第三模块的内容,使其仅占总学时的5%,同时在第三模块中加入15%的实验内容,从而使学生掌握基本的实验操作;其次,把握第一模块的内容,第一模块为材料科学基础基础知识和基本理论,是材料科学基础学习的重点,这部分的学习可以使学生初步了解材料科学基础的本质,同时在第一模块增加材料科学基础的x衍射、透射电镜等基本的表征手段的学习,这部分内容达到总学时的40%;最后,强调第二模块中与材料学专业相关的材料科学基础内容, 占总学时的40%。第二模块的内容非常繁多,我们通过学习原子和分子的运动规律、材料的形变及再结晶规律,使学生能熟练掌握与材料学专业有关的材料科学基础知识,为后续材料学专业学习打下基础。
3.2 教学方法改革
材料科学基础是一门看似简单,但掌握起来却有相当难度的课程。在教学过程中必须尽快让学生掌握材料科学基础的学习方式,跟上上课节奏,学生才能有效地掌握这门课程。这就要求在教学过程中必须改革传统的灌输式教学方法。在教学实践中通过借鉴前人的经验和总结自己的教学过程中的教训,在教学方法上主要做了以下改革:(1)通过现实的例子,引发学生学习材料科学基础的兴趣。针对材料是科技的基础这特点,通过材料的突破实现国家的科技发展的例子,增加学生学习材料科学基础的兴趣。同时,介绍材料科学基础与材料学专业其他课程的关系,使学生了解材料科学基础对其专业学习的重要性,引起学生对材料科学基础学习的高度重视。比如讲到晶体结构和由于掺杂引起的缺陷内容时,可以介绍当前高科技领域的发展基本都是通过掺杂引起材料能带发生变化的特点,激励同学们努力学习好这门大部分高科技所需要的基础知识,为将来祖国的发展作出自己的贡献;同时介绍材料学专业方面的所有专业课或多或少的与这们课有关联的特点,使学生了解材料科学基础对其专业学习的重要性。(2)以晶体结构为主线,引导学生深刻理解物质的结构决定性质的原理。为了让学生更好地掌握晶体的结构缺陷和性质的关系,如必须使学生真正理解什么是位错运动,实际晶体结构中的位错是什么样子。(3)通过课本目录,帮助学生学会总结,比较,归纳。材料科学基础内容琐碎繁多,在学习过程中,必须及时总结,比较和归纳,才能将材料科学基础的内容形成整体,不致前面学的很快就忘记,影响后面内容的学习。在教学过程中,针对学生在长期学习过程中不看目录的缺点,我们强调了目录的作用。比如学习完一章后引导学生根据目录回忆本章主要内容,象本章包括几节,每节主要讲了什么主要内容,其中重点是什么等。然后引导学生比较这一章与前面几章的联系和区别。最后,分析学过的内容,总结和归纳出要掌握的主要内容。(4)逐步引导,培养学生自学。大学教学的一个很重要的任务就是教会学生自学,学生在学习材料科学基础的过程中对于晶体的结构和三元相图,掌握起来具有较大难度,需要老师讲解,但对于原子结构和键合相对简单,可以通过在老师引导下,学生自学的方式掌握。这既节约了学习时间,又有效地锻炼了学生的自学能力。(5)通过做凝固和晶体结构分析实验使学生对书本上学的凝固原理和晶体结构缺陷有更深入的了解,如让同学门把铁碳合金熔化后浇注在砂型腔里铸造成钢锭,研究是凝固原理对其结构的影响,然后把凝固后的钢锭用xrd(x射线衍射),研究其晶体结构和晶体缺陷,同时把钢锭磨平后在显微镜下研究其晶相,找出成分中的马氏体等晶相组织,与书上的相图对比,加深对书本上知识的理解。
3.3 考试方式改革
课程成绩的考核是课程的重要内容,考核方式对教学效果有很大的指导作用。针对材料科学基础的特点和主要内容,我们将材料科学基础的考试方式分为三块,一是传统的闭卷考试,占总成绩的60%,二是平时成绩,主要是作业完成情况和每章主要内容总结等,占20%,三是实验情况,在学生的实际操作中,考察学生的动手能力,以及通过实验考察学生对课本内容的理解能力占20%。其中在闭卷考试中,我们强调了课本的基本知识,同时,有相当数量的综合题主要考察学生对所学的内容的综合应用情况,而概念题则考察学生对材料科学基础结构和本质的理解情况。
4.结论
通过以上教学改革探索,激发了学生学习材料科学基础的兴趣,加深了学生对材料科学基础这门课的理解,为后续的材料学专业的课程学习打下了坚实的基础。
参考文献
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一根直径4毫米粗的铜合金丝竟可以悬吊起3吨的重物；一种铁合金浸在强酸性液体中，仍能完好无损；硬度无比却能像液体那样流动。这就是金属玻璃，一种前途不可限量的新型材料。
在人们的概念里，金属与玻璃是两种无论是外观还是性质都截然不同的材料，所以“金属玻璃”这个名字听上去就有些不可思议。还是让我们先进入金属和玻璃两类材料的内部结构作一番探究吧。
一般来说，现有固体材料可分为晶态和非晶态两大类。金属是典型的晶态材料，它们由许多晶粒组成，在晶粒内部，原子呈规则排列（但在晶粒间结合处的原子则排列无序）。液态金属冷却变成固态金属的过程中有确定的凝固点，达到这一凝固点时，晶体结构便形成了。玻璃则是典型的非晶态材料，内部原子呈无序排列（但在很小的范围内观察，还是有一定的规律性）。玻璃从液态到固态是连续变动的，没有固定的凝固点。
从上面可以看出，非晶态结构是整体上无序，但在很小的尺寸范围内存在着有序性，而晶态结构是整体上有序，但在很小的尺寸范围内也存在着无序性。所以两者之间也有共同特点。而物质在不同条件下，既可形成晶体结构，也可形成非晶体结构。比如，金属液体在高速冷却条件下可以得到非晶态金属；而玻璃经过适当处理，也可形成晶态玻璃。
1960年，美国科学家杜威兹首先发现某些液态贵金属合金（如金硅合金）在冷却速度非常快的情况下，其内部的原子还来不及排好位置，尚处于杂乱无章的状态时，便凝固了，成为非晶态金属（合金）。这些非晶态金属具有类似玻璃的某些结构特征，故称为“金属玻璃”。
金属玻璃不寻常的结构决定了其特性。晶态金属或合金中，原子虽然排列得很整齐，但当晶体内有缺陷时，该金属或合金就容易断裂，好比搭积木一样，抽掉中间一块，一般就会倒塌。而金属玻璃，原子排列杂乱无章，好比不规则形状的石头堆成的高台，挖掉一两块，也无关大局。因此金属玻璃的断裂强度可以比钢大3倍。
金属玻璃由于不存在晶粒边界，排列紧密，因此它的硬度更大，即使遭到外力重击，原子也很容易回复原位，同时还具有很强的抗腐蚀能力。也正是由于没有晶粒的体积限制，金属玻璃很容易被制成纳米级的微型器件。
金属玻璃最令人感兴趣的是它的可塑性。在一定的温度下可以像泥巴一样，“捏”成任意形状，但完全冷却后又变得非常坚硬。虽然从严格意义上来说，金属玻璃并不是液体，但是由于它没有固定的外形，可以像液体那样流动，有时候也称之为“液态金属”。电影《终结者2》中的那个可怕的液态金属机器人，想必还令人记忆犹新。它可以变成任意形状，可以从狭小的缝隙间钻过，正是体现了金属玻璃的神奇之处。
把金属（或合金）在高温下熔融后，通过一个喷嘴喷到高速旋转的光滑钢质辊面上，使其急剧冷却（接近每秒钟100万摄氏度）就有可能变成金属玻璃。因为一般金属单质极难生成非晶态结构，所以已制得的在室温下稳定存在的金属玻璃都是两三种或更多种元素的形成的合金。
一开始，这种金属玻璃大都是很薄的带状材料，应用受到限制。于是，科学家们开始寻找生产“块状金属玻璃”的方法。20世纪90年代初期，杜威兹的学生约翰逊终于研制出一种合金，并创建了液态金属技术公司。这种被命名为Vitreloy的合金中含有锆、钛、铜、镍及铍等金属原子，锻造温度仅在400℃左右，而锻造钢需要达到1000℃的高温，这使得它有可能成为一种理想的制造用材。
2004年，美国橡树岭国家实验室的研究人员研制出新一代金属玻璃，以50％的铁，加上钼、钇、锰、碳、硼、铬和钴等元素。其突破在于，钇的加入使材料形成非晶态能力大大增强，因而合金材料的冷却速度放慢了许多。而且材料的尺寸比过去大，直径达12毫米，从而开拓了金属玻璃的应用前景。
面对高技术时代对高性能钛合金材料日益紧迫的要求，非连续增强钛基复合材料因其具有的高比强、高比刚度、耐高温和耐蚀性能已成为研究的热点。人们对其制备工艺、微结构、力学性能等进行了一系列的研究，而这些研究的主要目标为外加法制备的钛基复合材料。而本研究则采用原位合成工艺制备非连续增强的钛基复合材料。与外加法比较，原位合成法因其工艺简单、材料性能优异，在技术和经济上更为可行。增强体的原位合成，避免了增强体的污染问题，也避免了熔铸过程中存在的润湿性问题，有利于制备性能更好的复合材料。然而，为了低成本高效制备高性能的钛基复合材料尚有许多问题需要解决。因此，从理论和实验上研究这些问题，对低成本高效制备高性能的钛基复合材料具有非常重要的理论和实际意义。
针对金属基复合材料发展应用中的关键问题??成本和性能，本文开发设计了新型的钛基复合材料的制备工艺，可以低成本高效制备性能优异的钛基复合材料。即可利用钛与碳化硼、硼及石墨之间的自蔓燃高温合成反应，采用普通的钛合金冶炼工艺制备出单纯TiB晶须、单纯TiC颗粒增强或TiB晶须和TiC粒子混杂增强的钛基复合材料。为了拓展钛基复合材料的应用领域，为制备高性能的钛基复合材料打下坚实的基础，本文的研究主要包括以下几个方面工作：
1、研究了利用钛与石墨、硼及碳化硼之间的反应制备TiB和TiC增强钛基复合材料的原位合成机理。利用热力学理论计算了钛与石墨、硼、碳化硼反应的Gi自由能DG和反应生成焓DH，结果表明：各个反应的Gi自由能DG值都为负值，说明在热力学上上述反应是可行的。虽然在热力学上可以利用钛与碳化硼之间的化学反应合成TiB2和TiC增强体，但从化学平衡考虑，TiB2不能稳定存在于过量钛中，因此能够稳定存在于普通钛合金中的增强体为TiB和TiC。上述反应都为高放热的反应，从理论上讲绝热温度都大于自蔓燃高温合成的判据，表明反应能自发维持。
2、利用非自耗电弧炉和自耗电弧炉经普通的钛合金铸造工艺制备出单纯TiB晶须、单纯TiC颗粒增强或TiB晶须和TiC粒子混杂增强的钛基复合材料。X射线衍射分析结果表明：原位合成的增强体为TiB、TiC。这些增强体分布非常均匀，主要呈现为短纤维状、树枝晶状和等轴或近似等轴状。电子探针和带能谱的扫描电镜分析结果表明：短纤维状增强体为TiB，而树枝晶状和等轴或近似等轴状增强体为TiC。实验结果与理论分析一致，这为原位自生钛基复合材料的工业化生产提供了依据。
3、研究了原位合成钛基复合材料增强体的生长机制，结果表明：增强体的生长机制与凝固过程及增强体的晶体结构密切相关。原位合成的增强体以形核与长大的方式从熔体中析出而长大。对于原位合成TiB和TiC混杂增强的钛基复合材料，经历了析出初晶、二元共晶和三元共晶三个阶段。由于不同的晶体结构，增强体TiB与TiC形成不同的生长形态。TiB具有B27晶体结构，易于沿[010]方向生长长成短纤维状，而且TiB横截面的形状呈多边形，其晶面主要由(100)、(10)和(101)组成。同时，在TiB的(100)面上容易形成层错。而TiC具有NaCl型对称结构，容易长成树枝晶状、等轴状和近似等轴状。发现原位合成的增强体TiB容易在（100）面上形成高密度的层错，层错的形成与增强体的晶体结构、生长机制有关，同时也有利于降低增强体与基体合金界面的晶格畸变。而原位合成增强体TiC的晶格比较完整，偶尔在(111)面上形成孪晶，该孪晶结构在增强体形核与长大的过程中形成。
4、研究了合金元素铝的加入对原位合成钛基复合材料微结构及力学性能的影响。合金元素铝的加入，并不改变复合材料的物相组成，也不改变复合材料的凝固过程，但由于合金元素的存在，阻碍了增强体的形核与长大过程，导致形成的TiB和TiC初晶更为细小，尤其是使TiC增强体易于形成等轴状。合金元素铝不仅固溶强化了基体合金，而且细化增强体也有利于提高复合材料的力学性能。
5、利用透射电镜、高分辨透射电镜对原位合成(TiB TiC)/Ti复合材料界面微结构进行研究和分析，发现两种增强体与基体的界面均为清洁界面，为直接的原子结合、界面结合状况良好。TiC增强体与基体合金没有确定的位相关系，而TiB增强体与基体合金存在以下位相关系：、、(0002)Ti//(001)TiB和以及、(0002)Ti//(200)TiB和。该位相关系在凝固过程中形成，与增强体的晶体结构及基体合金的晶体结构密切相关，形成该位相关系有利于降低增强体与基体合金界面的晶格畸变能。
6、研究了铸态钛基复合材料和热锻后高温钛基复合材料的力学性能。由于原位合成增强体的加入，钛基复合材料的力学性能与相应基体合金比较有了明显的提高，在增强体含量为8％时，其弹性模量E、屈服强度s0.2和抗拉强度分别达到131.2GPa，1243.7MPa和1329.8MPa，与基体合金Ti6242比较分别提高了19.3，47.4和45.5。其强化机理主要来源于增强体承载、晶粒细化及高密度位错的形成。石墨的加入，形成更多等轴状、近似等轴状TiC粒子有利于提高复合材料的室温性能，这与短纤维状TiB的存在导致复合材料低应力断裂有关。
7、研究了原位合成钛基复合材料的高温瞬时拉伸性能。在600oC、650oC和700oC的抗拉强度分别超过800MPa，750MPa和650MPa，与高温性能较好的IMI834合金比较，在600oC的抗拉强度提高幅度超过25。随着温度的提高，其屈服强度、抗拉强度降低，塑性提高，但与基体合金比较高温强度有了明显的提高。断口分析表明：低温时，裂纹由增强体断裂引起，而在高温时裂纹最先在短纤维晶须TiB的端面上形核，然后裂纹扩展到基体合金中，最后导致材料失效。说明低温时，增强体承载对提高复合材料的力学性能非常有利，而在高温时，其强化作用主要由增强体与位错的交互作用引起。位错容易在短纤维状晶须TiB的端面处塞积，形成裂纹源导致材料失效。因此与等轴状及近似等轴状增强体TiC比较，短纤维状增强体TiB对复合材料高温力学性能的强化效果要低一些。这也是石墨的加入形成等摩尔的TiB和TiC增强体有利于提高复合材料高温性能的主要原因。
8、研究了原位合成钛基复合材料的高温蠕变性能和持久断裂性能。原位合成钛基复合材料的高温蠕变经历了典型的蠕变变形的三个阶段。蠕变持久强度与基体合金比较有了明显的提高。持久强度与温度及载荷密切相关，温度和载荷的提高都降低复合材料的高温蠕变和高温持久性能。石墨的加入形成更多的TiC粒子，同样有利于提高钛基材料的持久强度。在高温、持久载荷作用下，材料的失效仍然主要由短纤维端面处形成裂纹而导致材料失效引起。
本研究首先从理论上分析了原位合成TiB、TiC及TiB和TiC混杂增强钛基复合材料的原位合成机制，并以此为基础开发出了一种新型钛基复合材料加工工艺。利用该工艺钛合金生产厂家可以在不改变设备和工艺的条件下，低成本高效制备高性能的钛基复合材料。而采用该原位合成工艺制备复合材料的性能是可设计和可控制的，针对不同的应用条件，可以设计不同成分的基体合金及不同含量、不同配比增强体的复合材料以满足不同的需求。从合金相图、增强体晶体结构及凝固理论相结合分析了原位合成增强体的生长机制、生长形态、分布状态以及界面微区特征。研究了钛基复合材料的微观组织对钛基复合材料力学性能的影响规律。这些研究为以后制备高性能的钛基复合材料和拓展 钛基复合材料的应用领域打下了坚实的理论基础和为批量生成提供了实用途径。近两年来，研究成果引起了国家航空航天部门的关注，国家“十五”军工重点课题和航天支撑基金、航天创新基金课题获得了批准。并将用于我国的先进战略导弹XX－2改，战术导弹XX－19及新一代洲际导弹和潜地导弹的构件。鉴于该技术在国防军工方面具有的战略意义以及在民用领域的潜在应用前景，与国内大型钛合金加工企业—宝钢集团五钢有限公司开展产业化研究，完成了该材料的中试过程，实现了新型钛基复合材料的工业化生产。研制开发的材料近期将在国家战略、战术武器、宇宙飞船等方面得到验证和应用。并将逐渐推广应用于民用领域，为国民经济的发展作出贡献。
关键词非连续增强钛基复合材料，原位合成，生长机制，凝固，晶体结构，微观结构，力学性能，位向关系，界面结构
Fabrication,MicrostructureandMechanicalPropertiesofinsituSynthesizedTitaniumMatrixComposites
ATRACT
Duetoincreasingrequirementfortitaniumalloywithhighpropertiesinhightechnologyera,discontinuouslyreinforcedtitaniummatrixcompositesownthefollowingadvantages:highecificstrength,highecificmodulus,highelevatedtemperatureproperty,wearresistanceandlowfabricatingcost,sotheyhavebecometheresearchhotot.Theproceingtechnique,microstructureandmechanicalpropertieshavebeenexteivelystudied.However,themainaimisdiscontinuouslyreinforcedtitaniummatrixcompositepreparedbytraditionaltechniquesuchaspowdertechnologyandliquidmetallurgy,wheretheceramicparticlesaredirectlyincorporatedintosolidorliquidmatricesreectively.Inthispaper,paredwithtraditionaltechnique,insitutechniqueownthefollowingadvantages:thetechniqueisverysimpleandthepropertiesareexcellent,soitiseasiertofabricatetitaniummatrixcompositesintechnologyandeconomic.Theinsitusynthesisofceramicparticleavoidsthepollutionofreinforcementsandwettabilityexistingincastingtechnique,soitisvaluabletofabricatetitaniummatrixcompositeswithbetterproperties.However,therearestillquitealotofproblemstoberesolvedinordertofabricatetitaniummatrixcompositeswithhighpropertiessimplyandatlowfabricationcost.Therefore,theresearchontheseproblemsintheoryandexperimentisveryimportant.
Itiswellknownthatthekeyproblemindevelopmentandalicationofmetalmatrixcompositesiscostandproperty.Anewtechniquehasbeendesignedtoproducetitaniummatrixcomposites,inwhichitispoibletofabricatetitaniummatrixcompositeswithhighpropertiessimplyandatlowfabricationcost.TitaniummatrixcompositesreinforcedwithTiBwhisker,TiCparticleorTiBwhiskerandTiCparticle,wereproducedbycommontitaniumalloycastingtechniqueutilizingtheself-propagationhigh-temperaturesynthesisreactiobetweentitaniumandboron,graphite,B4C.Inordertodeveloptheutilizationareaoftitaniummatrixcompositesandmakebasisforproducingtitaniummatrixcompositeswithhighproperties,thefollowingworkshavebeendeveloped.
1.InsitusynthesismechanismoftitaniummatrixcompositesreinforcedwithTiB,TiCorTiBandTiCutilizingthereactiobetweentitaniumandboron,graphite,B4Chavebeeninvestigated.GifreeenergyDGandformationenthalpyDHofreactiobetweentitaniumandboron,graphite,B4Cwerecalculatedbythermodynamictheory.TheGifreeenergyDGofabovereactioisnegative,whichindicatesthattheabovereactioallcantakeplace.ItispoibletosynthesizeTiB2andTiCutilizingthereactionbetweentitaniumandB4C.However,coideringfromchemicalbalance,TiB2cannotexistintitaniummatrixalloystably.Theabovereactioreleasequitealotofheat.Moreover,theadiabatictemperatureisgreaterthanthetheoreticalcriterion,whichindicatesthatthereactioncanbesustainedbyitself,namelyself-propagationhigh-temperaturesynthesisreactioncanoccur.
2.TitaniummatrixcompositesreinforcedwithTiBwhisker,TiCparticleorTiBwhiskerandTiCpart iclehavebeenproducedbynon-coumablevacuumarcremeltingfurnaceandcoumablevacuumarcremeltingfurnace.TheresultsofX-raydiffractionshowthattheinsitusynthesizedreinforcementsareTiBandTiC.Thereinforcementsweredistributeduniformlyinmatrixalloy.Theshapesofreinforcementsareshort-fibreshape,dendriticshapeandequiaxedshapeornear-equiaxedshape.Thereinforcementwithshort-fibreshapeisTiB,thereinforcementwithdendriticshapeandequiaxedshapeornear-equiaxedshapeisTiC.Theexperimentalresultisingoodagreementwiththeoreticalresult,whichprovidesgistforcommercialproductionofinsitusynthesizedtitaniummatrixcomposites.
3.Thegrowthmechanismsofreinforcementsininsitusynthesizedtitaniummatrixcompositeshavebeeninvestigated.Thegrowthmechanismsarecloselyrelatedtosolidificationpathsandcrystalstructures.Thereinforcementsdiersefrommeltandgrowinthewayofnucleationandgrowth.FortheinsitusynthesizedTiBwhiskerandTiCparticlereinforcedtitaniummatrixcomposites,thereinforcementsundertakethefollowingthreestages:primarycrystal,binaryeutecticandternaryeutectic.Duetothedifferentcrystalstructures,TiBandTiCgrowindifferentshapes.TiBisliabletogrowalong[010]directionandformshort-fibreshapeduetoit’sB27crystalstructure.TheshapeofTiBatcrosectionispolygon,thecrystalfacesarecomposedwith(100),(101)and(10).Moreover,thereisstackingfaultinTiBandthestackingfaultislikelytoformat(100)crystalface.TiCwithNaClcrystalstructuregrowsindendritic,equiaxedornear-equiaxedshape.
4.Theeffectsofaluminumadditiononmicrostructureandmechanicalpropertiesofinsitusynthesizedtitaniummatrixcompositeshavebeeninvestigated.Theadditionofalloyingelementaluminumdoe’tchangephasesandadjustthesolidificationpath.However,thealloyingelementhindersthenucleationandgrowthofreinforcementsthatresultinmorefineTiBandTiCreinforcementsandmakeTiCreinforcementsgrowwithequiaxedparticleseasily.Aluminumnotonlystrengthethematrixalloybysolidsolutionstrengthening,butalsoimprovesthemechanicalpropertiesbyrefiningthereinforcements.
5.TheinterfacialmicrostructuresofinsitusynthesizedTiBwhiskerandTiCparticlesreinforcedtitaniummatrixcompositeshavebeenoervedbymeaoftramiionelectronicmicroscopyandhigh-resolutiontramiionelectronicmicroscopy.Theresultsshowthattheinterfacesareveryclean.Theyarebondedwell.ThereisnocoistentcrystallographicrelatiohipbetweenTiCandtitanium.However,therearefollowingcoistentcrystallographicrelatiohibetweenTiBandtitanium:,,(0002)Ti//(001)TiB,and,,(0002)Ti//(200)TiB.Moreover,itiscloselyrelatedtothecrystalstructuresofreinforcementandmatrixalloy.Theformationofabovecrystallographicrelatiohiisvaluabletodecreasetheenergyoflatticestrainbetweenreinforcementandmatrixalloy.
6.Themechanicalpropertiesofcast-titaniummatrixcompositesandhigh-temperaturetitaniummatrixcompositesafterhot-forginghavebeeninvestigated.Duetotheincorporationofinsitusynthesizedreinforcements,themechanicalpropertiesimproveobviouslycomparedwithmatrixalloy.Whenthevolumeofreinforcementsis8,theYoung’smodulusE,yieldstrengths0.2andteilestrengthare131.2GPa,1243.7MPaand1329.8MPa,reectively.Theyimprove19.3,47.4and45.5,reectively.Thestrengtheningmechanismsincludethefollowingfactors:undertakingloadofreinforcements,refinementofgrainsizeandformationofhigh-deitydislocatio.TheadditionofgraphiteformsmoreTiCparticleswithequiaxedornear-equiaxedshapethatisvaluabletoimprovethemechanicalpropertiesoftitaniummatrixcompositesatroomtemperature.ThisisrelatedtoexistingofTiBthatresultfractureofcompositesatlowlevelofaliedstrain.
7.Theultimateteilemechanicalpropertiesoftitaniummatrixcompositesatelevatedtemperaturehavebeeninvestigated.Theultimateteilestrengthsofinsitusynthesizedtitaniummatrixc ompositesat600oC,650oCand700oCare786.1MPa,657.4MPaand564.3MPa,paredwithIMI834alloy,theultimateteilestrengthat600oCimproves23.8.Astemperatureincreases,theyieldstrengthandultimatestrengthdecrease,paredwithmatrixalloy,themechanicalpropertiesathightemperatureofinsitusynthesizedtitaniummatrixcompositesimproveobviously.Theanalysisoffracturesurfacesshowthatcrackareformedduetothefractureofreinforcementsatlowtemperature,whilethecracksarelikelytonucleateattheendsofshort-fibreTiBandpropagatetomatrixalloyathightemperaturesothatcompositesfailure.Theyindicatethatundertakingloadofreinforcementsisvaluabletoimprovethemechanicalpropertiesatlowtemperature.Athightemperature,thestrengtheningeffectresultsfromtheinteractionbetweenreinforcementsanddislocatio.DislocatioareliabletoaccumulateandentangleattheendsofTiBwhiskers,paredwithequiaxedornear-equiaxedTiCparticle,thestrengtheningeffectofTiBwhiskerontitaniummatrixcompositesislowerthanthatofTiC.ThisisalsothemainreasonthattheadditionofgraphitetoformmoreTiCisvaluabletoimprovethemechanicalpropertiesathightemperature.
【摘 要】：在H2O-CH3OH体系中成功合成出了分子式为Ln(phen)2(NO3)3 (Ln = Y, Sm, Eu, Dy), [Ln(phen)2(H2O)2(NO3)2](NO3)(phen)2(H2O) (Ln = La,Ce)和[Ln2(phen)4(OH)2(H2O)4](NO3)4(phen)2 (Ln = Er, Lu)等稀土多元超分子配合物.单晶X-射线衍射分析表明, Ln(phen)2(NO3)3 为同晶结构,属单斜晶系,空间群为C2/c(no. 15),晶胞参数为: (Y) a = 11.140 , b = 17.859 , c = 12.998 , = 100.510, Z = 4; (Sm) a = 11.161 , b = 17.995 , c = 13.061 , = 100.58 , Z = 4; (Eu) a = 11.165 , b = 17.972 , c = 13.052 , = 100.57 , Z = 4; (Dy) a = 11.158 , b = 17.906 , c = 13.019 , = 100.52 , Z = 4。Ln(phen)2(NO3)3的晶体结构由[Ln(phen)2(NO3)3]络合分子组成，中心稀土原子(Ln = Y, Sm, Eu, Dy)与2个双齿螯合邻菲啉配体和3个双齿螯合硝酸根配位，参与配位的4个N原子和6个O原子占据畸变双帽十二面体的顶角位置，通过芳环堆积作用，络合分子堆积形成一系列互相平行的一维柱状结构，并以一维紧密堆积方式排列。[Ln(phen)2(H2O)2(NO3)2](NO3)(phen)2(H2O)为同晶结构，属三斜晶系，空间群为P I (no. 2)，晶胞参数为：(La) a = 11.052 , b = 13.420 , c = 16.300 , = 78.12 , = 88.77 , = 83.03 , Z = 2; (Ce) a = 11.057 , b = 13.413 , c = 16.296 , = 78.19 , = 88.97 , = 83.04 , Z = 2。[Ln(phen)2(H2O)2(NO3)2](NO3)(phen)2(H2O)的晶体结构由一价[Ln(phen)2(H2O)2(NO3)2]+络阳离子、不参与配位的邻菲啉分子、水分子和NO3-阴离子组成。中心稀土原子(Ln = La, Ce)与2个双齿螯合邻菲啉配体、2个双齿螯合硝酸根和2个H2O分子配位，参与配位的4个N原子和6个O原子占据畸变双帽十二面体的顶角位置。通过芳环堆积作用，络阳离子堆积形成一系列互相平行的一维柱状结构，并形成正电性的二维层结构；不参与配位的邻菲啉分子也通过芳环堆积作用形成一系列互相平行的一维柱状结构，并形成电中性的二维层结构；不参与配位的水分子和NO3-阴离子分布在电正性和电中性二维层结构之间。同晶[Ln2(phen)4(OH)2(H2O)4](NO3)4(phen)2(Ln = Er, Lu)配合物属三斜晶系，空间群为P I (no. 2)，晶胞参数为：(Er) a = 11.257 , b = 11.467 , c = 14.069 , = 93.93 , = 98.18 , = 108.14 , Z = 1; (Lu) a = 11.251 , b = 11.476 , c = 14.019 , = 93.83 , = 98.27 , = 108.27 , Z = 1。配合物由双核[Ln2(phen)4(OH)2(H2O)4]4+络阳离子、不参与配位的NO3-阴离子和具芳环堆积且不参与配位的邻菲啉分子对组成。中心稀土原子(Ln = Er, Lu)与2个双齿螯合邻菲啉配体、2个H2O分子和2个OH基团形成八配位，8个配位原子构成畸变的四方反棱柱，紧邻的配位多面体共享OH-OH边，从而形成双核[Ln2(phen)4(OH)2(H2O)4]4+络阳离子。通过氢键和芳环堆积作用，双核络阳离子和邻菲啉分子对形成电正性的二维层结构，不参与配位的NO3-阴离子处于电正性的二维层结构之间。[Ln2(phen)4(OH)2(H2O)4](NO3)4(phen)2配合物具有畸变CsI结构。
【关键词】：1,10-邻菲啉；稀土；超分子配合物；芳环堆积；晶体结构；合成
中图分类号：O63 文献标识码：B文章编号：1997-0668(2008)0210088-05
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
