2010届高中化学竞赛专题辅导（三）晶体结构及答案

2010 届高中化学竞赛专题辅导 （三） 晶体结构 一 （ 9 分） 下图所示为 应得到的两种含汞的化合物A 和 B 的微观结构重复单元图。 1写出 A、 B 的化学式和 B 的生成反应方程式； 2晶体 A 中， 堆积方式是否相同，为什么？ 3晶体 A 中 据什么典型位置，占有率是多少？ 4指出 B 中阴阳离子组成特点； 5比较 A 和 B 在水溶液中溶解性的大小。 二 （ 14 分） 钛酸锶是电子工业的重要原料，与 有电损耗低，色散频率高，对温度、机械应变、直流偏场具有优良 稳定性。因此可用于制备自动调节加热元件、消磁元器件、陶瓷电容器、陶瓷敏感元件等。制备高纯、超细、均匀 方法研究日益受到重视。我国研究者以偏钛酸为原料常压水热法合成纳米钛酸锶，粒子呈球形，粒径分布较均匀，平均 22知 a 1写出水热法合成纳米钛酸锶的反应方程式； 2 和 在一起进行（面心）立方最密堆积（ 它们的排列有序，没有相互代换的现象（即没有平均原子或统计原子），它们构成两种八面体空隙，一种由 构成，另一种由 和 一起构成， 只填充在 构成的八面体空隙中。 （ 1）画出该 用小 球， 用大 球， 用大 球） （ 2）容纳 的空隙占据所有八面体空隙的几分之几？ （ 3）解释为什么 倾向占据这种类型的八面体空隙，而不是占据其他类型的八面体空隙？ （ 4）通过计算说明和 进行立方密堆积的是 而不是 的理由（已知 半径为 140 3计算 22径）粒子的质量，并估算组成原子个数。 三 （ 10 分） 结构，晶胞中包含 1 个 和1 个 ，晶胞参数 a 387等物质的量的 成 胞参数 a b 419pm、c 794构如右图）。 1已知 半径为 181 （视为球形离子）的半径。 2计算 3指出 和 的 具体配位形式； 4通过具体计算，指出晶体中 与 之间的最短距离是多少？ 四 （ 8 分） 金属铜的理想堆积模型为面心立方紧密堆积（ 设它的边长 为 晶体中与晶胞体对角线垂直的面在晶体学中称为（ 1,1,1）面。 1 请画出金属铜的晶胞（ 表示 子），并涂黑有代表性的 1 个（ 1,1,1）面上的 原子。 2 计算（ 1,1,1）面上 整个面积的百分率以及 整个体积的百分率（给出计算过程）。 3在 1 个盛有 中阴极经过特殊处理，只有 1 个（ 1，1， 1）面暴露在电解质溶液中，其余各面均被保护。假设此面面积为 镀时电流恒为 I。 在此面上做恒速率均匀沉积， ，有一层 子恰好在阴极上沉积完 毕，求这是已沉积的第几层 子？（阿伏加德罗常数为 拉第常数为 F） 五 （ 10 分） 某钠盐 X 的阴离子为正八面体构型，由 7 个原子 70 个电子组成。 X 晶体的结构有如下特点：阴离子的空间排列方式与 体中的 （或 ）的排列方式完全一样，而 占据其全部四面体空隙中。 1确定阳离子、阴离子个数比； 2确定 X 的化学式； 3 如果 X 晶体的晶胞参数为 a（ X 的摩尔质量为 g/写出 X 密度的表达式； 4 X 晶体中 的空间排列方式与 体中的 （或 ）的排列方式是否 完全一样？如果将阴离子看作由 形成的空隙中，那么占有率为多大？ 5如果晶胞的坐标原点为 ，请画出该晶胞全部阴离子的空间构型（阴离子用 表示） 6某钾盐 Y 的阴离子组成和在晶胞中的排列方式与 X 相似，而 K 填充在全部八面体空隙中，写出 Y 的化学式。 六 （ 5 分） 反 胞参数 a 555 1计算 的半径（已知 半径为 140 2计算密度。 七 （ 8 分） 点阵素单位是指最小的重复单位，将最小重复单位的内容用一个点阵表示，最小重复单位中只含一个点阵点，称为素单位。 含 2个或 2 个以上点阵点的单位称为复单位。画出素单位的关键是能按该单位重复，与单位预角上是否有圆圈无关。某平面周期性结构系按右图单位重复堆砌而成。 1写出该素单位中白圈和黑圈的数目。 2请画出 2 种点阵素单位，要求一种顶点无原子，另一种顶点有原子。 3请画出石墨片层的 3 种点阵素单位。 八 （ 10 分）最简单的二元硼氮化合物可以通过下列反应合成： l) 2g) 2BN(s) 3g) 反应产生的氮化硼的结构与石墨结构相类似，但上、下层平行 ， B、 N 原子相互交替 （见图 1），其层状六方氮化硼的晶胞如图 2 所示。层内 B N 核间距为 145 间距为333 请回答下列问题： 写出晶胞中 B、 N 原子的原子坐标。 B 原子： ， N 原子 。 试列出求算层状六方氮化硼晶体的密度的计算式：（阿伏加德罗常数用 。 在高压（ 60 高温（ 2000 ）下，层状六方氮化硼晶体可转化为立方氮化硼， 它与金刚石有类似结构。若立方氮化硼晶胞的边长为 a 列出求算立方氮化硼晶体 中 B N 键键长的计算式： 。 九 （ 8 分） 正硼酸（ 一种片层状结构白色晶体，层内的 右图）。 1正硼酸晶体属于 晶体； 2片层内微粒间的作用力是上面？片层间微粒间的作用力又是上面？ 3含 13 键； 4以 1 个片层为研究对象，画出其二维晶胞，并指出其所包含的内容。 十 （ 11 分） 这种晶体中，水分子形成三维氢键骨架体系。在骨架中有空穴，它可以容纳这些气体小分子形成笼型结构。 （ 1）甲烷的气体水合物晶体成为可燃冰。已知每 164估算晶体中水与甲烷的分子比。（不足的数据由自己假定，只要假设合理均按正确论） （ 2） X射线衍射分析表明，该晶体属于立方晶系， a 1200晶胞 为立方体，边长为 1200晶胞中 46 个水分子围成两个五角十二面体和六个稍大的十四面体（ 2 个六角形面， 12 个五角形面），八个 算甲烷和水的分子数之比和该晶体的密度。 （ 3）已知 2O 的分子数之体为 1 8，在其晶体中水分子所围成的笼型结构与可燃冰相同。推测它的结构。 十一 近年来对于三价铜的研究日益深入，特别随着是钇钡铜氧化物的研究的深入，三价铜化合物越来越受到化学家的重视。起初发现的三价铜化合物为离子化合物，三价铜存在于阴离子 中，目前所发现的三价铜配合物都是四配位的。 1画出 的结构； 2一种三价铜的稀土化合物 晶格属立方晶系，氧离子位于棱心，阳离子各占据氧离子所构成的空隙中，其中三价铜离子的配位数是 )的一半，试画出 十二 （ 12 分） Q 为多核电中性对称配合物，化学式可写成 中 M 为中心原子， A 为一有机配体（由常见元素组成）。 A 为中性配体，不带电荷， M 空气中灼烧有白烟和刺激性气体生成， A 中也有一 Q 溶解在液氨中得 R，分离溶液后蒸馏结晶再灼烧，得红褐色固体氧化物。 R 可由一常见白色难溶物（氯化物）溶解在液氨中制得。 1 M 为何种元素，指出其配位数； 2推出 A 的化学式； 3画出 Q 的结构。 十三 （ 8 分） 发光材料 晶体属三方晶系，它的六方晶胞参数为： a c 晶体中，每个 Y 原子由 3 个 S 原子和 4 个 O 原子和它配位， Y 原子坐标为 （ 1/3， 2/3， O 原子坐标为 （ 1/3， 2/3， 试画出 晶胞。 十四 （ 14 分） 钛酸锶是电子工业的重要原料，与 具有电损耗低，色散频率高，对温度、机械应变、直流偏场具有优良稳定性。因此可用于制备自动调节加热元件、消磁元器件、陶瓷电容器、陶瓷敏感元件等。制备高纯、超细、均匀 方法研究日益受到重视。我国研究者以偏钛酸为原料常压水热法合成纳米钛酸锶，粒子呈球形，粒径分布较均匀，平均 22知 a 1写出水热法合成纳米钛酸锶的反应方程式； 2 和 在一起进行（面心）立方最密堆积（ 它们的排列有序，没有相互代换的现象（ 即没有平均原子或统计原子），它们构成两种八面体空隙，一种由 构成，另一种由 和 一起构成， 只填充在 构成的八面体空隙中。 （ 1）画出该 用小 球， 用大 球， 用大 球） （ 2）容纳 的空隙占据所有八面体空隙的几分之几？ （ 3）解释为什么 倾向占据这种类型的八面体空隙，而不是占据其他类型的八面体空隙？ （ 4）通过计算说明和 进行立方密堆积的是 而不是 的理由（已知 半径为 140 3计算 22径）粒 子的质量，并估算组成原子个数。 十五 （ 11 分） 硫化锰 赭色物质，用碱金属硫化物沉淀制得。 1计算纯水中 溶解度？ 已知 10 14， 2分别为 0 7和 0 13 2 体属于立方晶系，用 X 射线粉末法测得该晶体晶胞参数 a （ 1） 26 测得该晶体的密度为 计算一个晶胞中的离子数； （ 2）若某 米颗粒形状为立方体，边长为 胞边长的 10 倍，请估算其表面原子占总原子数的百分比。（已知 的半径 十六 （ 6 分） 金属 M 的晶格是面心立方，密度为 算： 1 体中最邻近的原子之间的距离。 2能放入 体空隙中的最大原子半径是多少 ? 2010 届高中化学竞赛专题辅导（三）晶体结构 答案 一（ 9 分） 下图所示为 应得到的两种含汞的化合物 的微观结构重复单元图。 1写出 A、 B 的化学式和 B 的生成反应方程式； 2晶体 A 中， 堆积方式是否相同，为什么？ 3晶体 A 中 据什么典型位置，占有率是多少？ 4 指出 B 中阴阳离子组成特点； 5比较 A 和 B 在水溶液中溶解性的大小。 答案 :1 A： B： 21分） 2都为简单立方堆积（ ） 3占据 形成简单立方的面心，占有率 1/6（各 1 分） 4 B 中存在着 齿型链和链间的 （ ） 5 A 比 B 易溶于水（ 1 分） 二（ 14 分） 钛酸锶是电子工业的重要原料，与 有电损耗低，色散频率高，对温度、机械应变、直 流偏场具有优良稳定性。因此可用于制备自动调节加热元件、消磁元器件、陶瓷电容器、陶瓷敏感元件等。制备高纯、超细、均匀 方法研究日益受到重视。我国研究者以偏钛酸为原料常压水热法合成纳米钛酸锶，粒子呈球形，粒径分布较均匀，平均 22知 a 1写出水热法合成纳米钛酸锶的反应方程式； 2 和 在一起进行（面心）立方最密堆积（ 它们的排列有序，没有相互代换的现象（即没有平均原子或统计原子），它们构成两种八面体空 隙，一种由 构成，另一种由 和 一起构成， 只填充在 构成的八面体空隙中。 （ 1）画出该 用小 球， 用大球， 用大 球） （ 2）容纳 的空隙占据所有八面体空隙的几分之几？ （ 3）解释为什么 倾向占据这种类型的八面体空隙，而不是占据其他类型的八面体空隙？ （ 4）通过计算说明和 进行立方密堆积的是 而不是 的理由（已知 半径为140 3计算 22径）粒子的质量，并估算组成原子个数。 答案 :1 2222 分） 2（ 1） （ 2 分） （ 2） 1/4（ 1 分） （ 3）容纳 的八面体空隙处于晶胞的中心，是由 6 个最邻近的 氧负离子所构成。其他的八面体中心均位于晶胞边棱的中心，虽然最邻近的微粒数也是 6，但其中只有 4 个是 ，另外两个是 。两个正离子 和 彼此靠近，从静电学角度分析是不利的。（ 2 分） （ 4） 半径为 (2 140 2)/2 136 半径为 (140 2)/2 55 1 分） 半径与 半径相近，而 半径小得多，适合填充在八面体空隙中（ ） 4 M/1 分） V 10 18） m V 10 17g（ 1 分） N 5 V/105个（ 1 分） 三。（ 10 分） 结构，晶胞中包含 1 个 和 1个 ，晶胞参数 a 387等物质的量的 成 体，晶胞参数 a b 419c794构如右图）。 1已知 半径为 181 （视为球形离子）的半径。 2计算 3指出 和 的 具体配位形式； 4通过具体计算，指出晶体中 与 之间的最短距离是多少？ 答案 :1 154） 2 1 1023 (10 8)2 (10 8) ） 3 ：压扁的正八面体 ：压扁的正 四棱柱（各 ，无压扁各 1 分） 4 的空间环境不同，可分为两类：体内的两个 为一类；棱边中点的 4 个 为另一类。前者距 较近（ 335距 也较近（ 241后者距离 397 296与邻近晶胞的 的距离最短为 与 的距离为 382与 的距离为 419 4 分） 四（ 8 分） 金属铜的理想堆积模型为面心立方紧密堆积（ 设它的边长为 晶体中与晶胞体对角线垂直的面在晶体学中 称为（ 1,1,1）面。 1 请画出金属铜的晶胞（表示 子），并涂黑有代表性的 1 个（ 1,1,1）面上的 子。 2 计算（ 1,1,1）面上 整个面积的百分率以及 整个体积的百分率（给出计算过程）。 3在 1 个盛有 中阴极经过特殊处理，只有 1 个（ 1， 1，1）面暴露在电解质溶液中，其余各面均被保护。假设此面面积为 镀时电流恒为 I。 在此面上做恒速率均匀沉积， ，有一层 子恰好在阴极上沉积完毕，求这是已沉积的第几层 子？（阿伏加德罗常数为 拉第常数为 F） 答案 :1 （ 2 分） 2设 子半径为 r， r 2 a/4，一个（ 1， 1， 1）面上有 1/2 3 1/6 3 2 个 子。2 ， S 总 3 ， 总 3 /6 （ ） 一个晶胞上有 1/2 6 1/8 8 4 个 子。 16/3 2 ， S 总 总 2 /6 （ 1 分） 2阴极面上一层 物质的量为：2/3 22沉积的 子的物质的量是： 层数：4/30 2315 2 （ ） 五（ 10 分） 某钠盐 X 的阴离子为正八面体构型，由 7 个原子 70 个电子组成。 X 晶体的结构有如下特点：阴离子的空间排列方式与 体中的 （或 ）的排列方式完全一样，而 占据其全部四面体空隙中。 1确定阳离子、阴离子个数比； 2确定 X 的化学式； 3 如果 X 晶体的晶胞参数为 a（ X 的摩尔质量为 g/写出 X 密度的表达式； 4 X 晶体中 的空间排列方式与 体中的 或 ）的排列方式是否完全一样？如果将阴离子看作由 形成的空隙中，那么占有率为多大？ 5如果晶胞的坐标原点 为 ，请画出该晶胞全部阴离子的空间构型（阴离子用表示） 6某钾盐 Y 的阴离子组成和在晶胞中的排列方式与 X 相似，而 K 填充在全部八面体空隙中，写出 Y 的化学式。 答案 :1 2 1（ 1 分 ） 2 2 分 ） 3 4 ） 4一样（ ） 50%（ 1 分） 5 （正四面体）（ ） 6 ） 六（ 5 分） 反 胞参数 a 555 1计算 的半径（已知 半径为 140 2计算密度。 答案 :1 2 分） 2 3 分） 七（ 8 分） 点阵素单位是指最小的重复单位，将最小重复单位的内容用一个点阵表示，最小重复单位中只含一个点阵点，称为素单位。含 2 个或 2个以上点阵点的单位称为复单位。画出素单位的关键是能按该单位重复，与单位预角上是否有圆圈无关。某平面周期性结构系按右图单位重复堆砌而成。 1写出该素单位中白圈和黑圈的数目。 2请画出 2 种点阵素单位，要求一种顶点无原子，另一种顶点有原子。 3请画出石墨片层的 3 种点阵素单位。 答案 :1（ 1 分 ） 2 （各 2 分） 3 （各 1 分） 八（ 8 分） 正硼酸（ 一种片层状结构白色晶体，层内的 子通过氢键相连（如 右 图）。 1 正硼酸晶体属于 晶体 ； 2片层内微粒间的作用力是上面？片层间微粒间的作用力又是上面？ 3 含 13 键 ； 4以 1 个片层为研究对象，画出其 二维晶胞，并指出其所包含的内容。 答案 :1分子（ ） 2共价键、氢键（ 1 分） 分子间作用力（ 1 分） 3 3（ ） 4 （ 2 分） 21 分）（ B 的排列类似石墨） 九（ 10 分）最简单的二元硼氮化合物可以通过下列反应合成： B N l) 2g) 2BN(s) 3g) 反应产生的氮化硼的结构与石墨结构相类似，但上、下层平行， B、 N 原子相互交替 （见图 1），其层状六方氮化硼的晶胞如图 2 所示。层内 B N 核间距为 145 间距为333 请回答下列问题： 写出晶胞中 B、 N 原子的原子坐标。 B 原子： ， N 原子 。 试列出求算层状六方氮化硼晶体的密度的计算式：（阿伏加德罗常数用 。 在高压（ 60 高温（ 2000）下，层状六方氮化硼晶体可转化为立方氮化硼， 它与金刚石有类似结构。若立方氮化硼晶胞的边长为 a 列出求算立方氮化硼晶体 中 B N 键键长的计算式： 。 答案 :（ 10 分，每空 2 分） （ 4 分） B 原子 (0， 0， 0) (31，32，21)或 (32，31，21)（ 2 分） N 原子 (0， 0，21) (31，32， 0)或 (32，31， 0) （ 2 分） 33021 322 21 4 5 )3(m o o . 0 1 ) g( 1 0 . 8 123 分） d(B N) （ 3 分） 十（ 11 分） 这种晶体中，水分子形成三维氢键骨架体系。在骨架中有空穴，它可以容纳这些气 体小分子形成笼型结构。 （ 1）甲烷的气体水合物晶体成为可燃冰。已知每 164估算晶体中水与甲烷的分子比。（不足的数据由自己假定，只要假设合理均按正确论） （ 2） X射线衍射分析表明，该晶体属于立方晶系， a 1200晶胞为立方体，边长为 1200晶胞中 46 个水分子围成两个五角十二面体和六个稍大的十四面体（ 2 个六角形面， 12 个五角形面），八个 算甲烷和水的分子数之比和该晶体的密度。 （ 3）已知 2O 的分子数之体为 1 8，在其晶体中水分子所围成的笼型结构与可燃冰相同。推测它的结构。 25. （ 1）假设甲烷气体体积果折合成标准状况下的数据，为 甲烷水合物晶体的密度与冰密度是相同的，为 1g/其中的水有： 此： 1明：甲烷水合物的组成可能是 646上是最简单的参考答案，只要答案为 7 9可按满分计。（ 4 分） （ 2） n（ n（ 8 46 4 23（ 1 分）； 3 分） （ 3）由于 n（ n（ 1 8 6 48。因此，十四面体笼填入 6 个 2 3 分） 十一 近年来对于三价铜的研究日益深入，特别随着是钇钡铜氧化物的研究的深入，三价铜化合物越来越受到化学家的重视。起初发现的三价铜化合物为离子化合物，三价铜存在于阴离子 中，目前所发现的三价铜配合物都是四配位的。 1画出 的结构； 2一种三价铜的稀土化合物 晶格属立方晶系，氧离子位于棱心，阳离子各占据氧离子所构成的空隙中，其中三价铜离子的配位 数是 )的一半，试画出 答案 :1 十二。（ 12 分） Q 为多核电中性对称配合物，化学式可写成 中 M 为中心原子，A 为一有机配体（由常见元素组成）。 A 为 中性 配体，不带电荷， M 的质量分数为 空气中灼烧有白烟和刺激性气体生成， A 中也有一 Q 溶解在液氨中得 R，分离溶液后蒸馏结晶再灼烧，得红褐色固体氧化物。 R 可由一常见白色难溶物（氯化物）溶解在液氨中制得。 1 M 为何种元素，指出其配位数； 2推出 A 的化学式； 3画出 Q 的结构。 十三。（ 8 分） 发光材料 晶体属三方晶系，它的六方晶胞参数为： a c 晶体中，每个 Y 原子由 3 个 S 原子和 4 个 O 原子和它配位， Y 原子坐标为（ 1/3，2/3， O 原子坐标为（ 1/3， 2/3， 试画出 晶胞。 十四。（ 14 分） 钛酸锶是电子工业的重要原料，与 有电损耗低，色散频率高，对温度、机械应变、直流偏场具有优良稳定性。因此可用于制备自动调节加热元件、消磁元器件、陶瓷电容器、陶瓷敏 感元件等。制备高纯、超细、均匀 国研究者以偏钛酸为原料常压水热法合成纳米钛酸锶，粒子呈球形，粒径分布较均匀，平均22知 a 1写出水热法合成纳米钛酸锶的反应方程式； 2 和 在一起进行（面心）立方最密堆积（ 它们的排列有序，没有相互代换的现象（即没有平均原子或统计原子），它们构成两种八面体空隙，一种由 构成，另一种由 和 一起构成， 只填充在 构成的 八面体空隙中。 （ 1）画出该 用小 球， 用大球， 用大 球） （ 2）容纳 的空隙占据所有八面体空隙的几分之几？ （ 3）解释为什么 倾向占据这种类型的八面