材料化学第四章课后答案李奇陈光巨编写资料

1、1、试用热化学求KCl晶体的点阵能,所需要的数据如下表所示.AH生成AH升华IKAH分解YCl数值-43584418243-368-1/kJ,mol解：根据Hess定律"二助生成一AH升华一及一三AH分解一丫口体系吸收能量取正俏=(-435-84-418-X243+368)kJ/mol=-690.5kJ/mol2、KCl晶体具有NaCl型结构,晶胞棱长628pm.试计算KCl晶体的点阵能,并与上题所求的结果比拟.一一2解：根据UANaZZe1、=(1-)4二；Rqm将Na、e、£.等按国际单位所给数值代入,得a01.389410J1U-AZZ_(1)(kJ/mol)RmKC

2、l具有NaCl晶型,即A=1.748,又Z+=Z=1,m=-(9+9)=9_1_八/_/0R=5628pm-314pm-3.1410m1389410,1748111所以U=-148(11)(kJ/mol)=687.5kJ/mol3.141093、从理论计算公式计算NaCl与MgOde晶格能.MgO的熔点为2800C,NaCl为801C,请说明这种差异的原因.(1)m2解：NaCl、MgO同属于NaCl型结构,根据U=ANaZ>£4二；飞将NA、e、e0等按国际单位所给数值代入A01.389410,1.748U二1Z.Z_(1)(kJ/mol)m对于NaCl,R0=279pm=2

3、.79x10-10mZ+=Z-=1m=(7+9)/2=8所以U=1.389410J1.74811-102.79101(1)(kJ/mol)=761.7kJ/mol8对于MgO,R0=210pm=2.10x10-10mZ+=Z-=2m=(7+7)/2=7所以U=1(1-)(kJ/mol)=3965.2kJ/mol1.3894101.748222.1010,°参考：晶格能的大小,可以表不离子键的强弱.晶格能越大,表不离子键越强,离子晶体的熔点也就越高.由于UMgofaCl,所以mpMgo>mPNaCl.4、为什么可将离子晶体的结构归于不等径圆球密堆积的问题？参考：离子晶体的结构多种

4、多样,而且有的很复杂.但复杂的离子晶体结构一般都是典型的简单结构形式的变形,故可将离子晶体的结构归结为几种典型的结构形式.5、如何正确理解离子半径的概念？离子半径是不是常数？它与哪些因素有关？参考：假设将离子近似的看作具有一定半径的弹性球,两个相互接触的球形离子的半径之和即等于核间的平衡距离,这就是一般所说的离子半径的意义.离子半径本来应该是指离子电子云的分布范围,但是根据量子力学计算,离子的电子云密度是无穷的,因此严格的说,一个离子的半径是不定的,它和离子所处的特定条件有关.6、试比拟Pauling半径和Goldschmidt半径的异同.参考：见教材4.1.3.8、试就负离子堆积方式与正离子

5、所占间隙的种类与分数比拟NaCl型与ZnS型结构之异同,比拟CsCl和CaF2型结构之异同.答：结构类型负离子堆积方式正离子填隙种类和分数分数NaClA1正八面体1ZnS立方A1正四面体1/2六方A3正四面体1/2CsCl简单立方立方体1CaF2简单立方立方体19、由离子半径计算CsBr和NaBr的半径比并推测晶体离子的配位数和晶体结构形式.答：晶体类型离子半径比(R+/R_)晶体离子配位数止离子负离子晶体结构形式CsBr0.85288CsCl型NaBr0.52066NaCl型10、BeO和MgO晶体的结构分别属于六方ZnS和NaCl型,试从离子半径比与配位数关系推测BeO和MgO的晶体结构形

6、式,并与实际结果进行比拟.答：晶体类型离子半径比(R+/R_)晶体离子配位数止离子负离子推知晶体类型BeO0.32144六方ZnSMgO0.51466NaCl型11、表达Goldschmidt结晶化学定律,并扼要说明它的含意.参考：晶体的结构形式取决于其组成者的数量关系、大小关系和极化性能,组成者系指原子、离子或原子团.影响晶体结构形式包含以下几个因素：(1)正负离子的相对大小(半径比R+/R_)决定正离子配位数及配位多面体的型式.(2)正负离子的相对数量(组成比n+/n_)决定正负离子配位数之比及正离子所占空隙分数.(3)离子的极化引起键形以及结构形式的变异12、什么是金属原子半径、离子半径

7、、共价半径、vandewaals半径,他们有何不同？举例说明.参考：见教材.金属原子半径：用X射线衍射法可以测定金属单质的结构,从金属晶体的晶胞参数可以求出两个邻近金属原子间的距离,他的一半就是原子半径.金属原子半径随配位数不同稍有变化,配位数高,半径大.离子半径：在离子晶体中,相邻的正负离子间存在着静电吸引力和离子外层电子云相互作用的排斥力,当这两种作用力达成平衡时,离子间保持一定的接触距离.假设将离子近似的看作具有一定半径的弹性球,两个相互接触的球形离子的半径之和即等于核间的平衡距离,这就是一般所说的离子半径的意义.Vandewaals半径：代表相邻分子中原子之间最小接触距离的平均值.13

8、、CF4和PF3具有相同的电子数(42个)和相对分子质量(88),但CF4的熔沸点(-184C,-128C)均较PF3(-151.5C,-101.5C)低,说明原因.答：CF4和PF3都有色散力.PF3是极性分子,除了具有色散力外还有静电力和诱导力；而CF4是非极性分子,只有色散力.所以CF4的熔沸点均较PF3低.14、将水分子看作球体,并假设堆积系数(空间占有率)为0.6,液态水中每个水分子的半径多大？答：液态水中1个水分子占据体积为30.0X10-24cm3(由摩尔体积/NA得到)设液态水中每A个水分子半径为r,那么43一二r=0.630.01024cm33r=1.63103cm15、试解

9、释为什么绿宝石Be3Al2Si6018n和透辉石CaMgSi2O6中的nSi:nO都为1：3,而前者为环状结构,后者为链状结构.参考：绿宝石的硅酸盐骨架为分立型,结构中含有孤立的硅氧骨干Si6018b由六个$.4基的环存在于绿宝石中.透辉石的硅酸盐骨架为链型,结构中每个SiO4四面体公用2个顶点,连成一无限长链.17、试画出环氧乙烷的分子模型,估计他们的最小直径,3A型分子筛的孔径约为330Pm,估计一下能否用作环氧乙烷的枯燥剂,如果改用5A型分子筛呢?答：原子CHO共价半径pm773273氾式半径pm172120140电负性xnp2.552.203.44用上列数据,按同异核键键长的计算方法,

10、得有关键长数据如下:O-HC-OC-CC-H93.8142154105.9这些计算值与实验测定值有的接近,有的差异较大,以下图分子形状是按实测键参数和范式半径画出来的水分子和环氧乙烷的大小由图可见,水分子和环氧乙烷分子的最小直径约为320Pm和440pm.因此,水分子能够进入3A分子筛孔道而环氧乙烷不能.所以,3A分子筛对环氧乙烷有枯燥作用.但由于水分子的最小直径与3A分子筛孔径相差较小,因此脱水效果不会太好.5A分子筛的孔径和环氧乙烷分子最小直径非常接近,有可能也吸附环氧乙烷,因此不适用来枯燥环氧乙烷.18、羟基苯甲酸亦称水杨酸,邻位结构熔点是159C,间位结构熔点是201.3C,对位结构熔

11、点是213C,试用氢键解释.参考：分子间生成氢键,熔点会上升；分子内生成氢键,一般熔点会降低.水杨酸的邻位结构形成六元环的分子内氢键,熔点159C,而生成分子间氢键的间位和对位结构熔点分别为201.3C和213C.19、答复以下有关A型分子筛的问题：(a)写出3A,4A,5A型分子筛的化学组成表达式及其用途；(b)最大孔窗由几个Si和几个O原子围成？(c)最大孔穴(笼)是什么笼？直径大约多大？(d)简述筛分分子的机理.答：(a)分子筛是一种天然或人工合成的泡沸石型硅铝酸盐晶体.已发现的天然沸石约有40余种,主要是丝光沸石、斜发沸石、方沸石和钙十字沸石等.人工合成的沸石计有100余种,其中A型、

12、X型、Y型和ZSM型分子筛已在工业生产和科学研究中发挥着重要作用.人工合成的A型、X型和Y型等分子筛的化学组成可用通式Mr(AlpSiqO2(P+Q)-mH2O表示.由该通式可见,*3+和$产的数目之和为O2-数的一半,这说明这几类分子筛都具有骨架型结构.在一般情况下,Al3+数比Si4+数小.假设Al3+数超过$产数,那么会在结构中出现AlO4四面体直接相连的情况,由于Al-O静电键强度小于Si-O静电键度,这会削弱骨架强度.通常,为使分子筛热稳定性好、耐酸性强,总是希望硅铝比高些.化学通式中的M是骨架外一一.一.一一一_2+的金属离子.为保持分子筛呈电中性,假设M是一价离子,那么r=p,即

13、在骨架中引入一个Al代替Si4+,那么在骨架外就引入一个一价正离子.假设M为二价离子,那么r=p/2,等等.A型分子筛主要有3种,即3A,4A和5A型分子筛.4A分子筛是A型分子筛钠盐,属于3+立万晶系,晶胞参数a=2464pm,晶胞的组成为Na96(A196si960384b216H2O.假设不考虑Al和Si4+位置的差异,那么可划分出体积只有原晶胞体积1/8(即晶胞参数只有原晶胞参数的1/2)、组成为Na12(A112si1204g)27H2O的假晶胞.这种A型分子筛的有效孔径约4?,故称为4A分子筛或NaA分子筛.假设用K+代替Na+,由于K+的半径比Na+的半径大,分子筛的有效孔径减小

14、至3?左右,称为3A型分子筛或KA型分子筛.其化学组成为K12(A112si12O48)27H2O.当用Ca2+代替Na+时,由于Ca2+的电价是Na+的2倍,因而Ca2+的数目是被其取代的Na+一半.而Ca2+的半径和Na+的半径相近,他优先占据六元环的位置.当晶胞中约有2/3的Na+被取代时,八元环不再为骨架外的离子所占,这是分子筛八元环的有效孔径增大至约5?,成为5A分子筛或CaA型分子筛,其典型组成为Ca4Na4(A112si12O48)-27H2O.如前所述,分子筛已在工业生产和科学研究中发挥着重要作用.5A分子筛可用于石油脱蜡,使油品凝固点降低,别离出的正烷烧可作为洗涤剂原料.它还

15、可用于气体或液体的深度枯燥及气体的纯化.也可用来别离甲烷、乙烷和丙烷.4A分子筛是制备5A分子筛和3A分子筛的原料,它可用于气体和液体的深度枯燥和纯化.3A分子筛用于深度枯燥乙烯和丙烯等气体.分子筛对水的吸附水平很强,吸附容量很大,可将空气中水的含量从4000Ppm降至10ppm.此外,A型分子筛不潮解、不膨胀、不腐蚀、不污染、可再生,是理想的吸附剂、枯燥剂和别离剂,某些A型分子筛还可作为一些化学反响的催化剂.(b)将一正八面体分另ij沿着垂直于C4轴的方向削去顶角,所得到的多面体称为立方八面体.削去6个顶点得到6个四边形,而原来的8个三角形都变成了六边形,所以立方八面体是一个十四面体,有24

16、个顶点、36条棱.可看作由立方体和八面体围聚而成.在分子筛结构中,硅(铝)氧四面体通过顶点上的O2-互相连接形成环,环上的四面体再通,一.一2-过顶点上的O互相连接形成三为骨架.在骨架中形成了许许多多的面体空穴,常称为笼.A型分子筛就是由立方八面体笼、“笼和立方体笼构成的.立方八面体笼又称为3笼或方钠石笼.其几何结构特征可用上述的立方八面体模拟.笼的平均有效直径为660pm,有效体积约4.1X10'18cm3.将3笼放在立方体的8个顶点上,笼和笼通过立方体相连,那么8个3笼相连后形成一个a笼,此即A型分子筛的结构.a笼是一个二十六面体,由12个四元环、8个六元环和6个八元环组成,共有48个顶点,72条棱.A型分子筛的最大窗口是八元环,由8个硅(铝)氧四面体构成.八元环包含8个硅(铝)氧离子和8个氧离子.该八元环的有效孔径约为420pm.假设把环看成正多边形,那么八元环的直径可按图估算.BJ.“X'109.5°=2(26pjtt+sin54,=267.9pm=2(?+70：_)sin“5.1800-109.50=2619pmzsin35.250=154.6pmBC=ABfsinCCr=AAf=2.4D=2ABsiii(90°-35.25°)=2x267.9/?»xsin54.75口=437.6