2023年真题中晶体结构

真题中晶体结构绿宝石Ｂe３Al２［Si６O18]上半个晶胞在(000１）面上的投影图如图1所示,整个晶胞的结构按照标高５0处的镜面经反映即可得到。根据图1回答下列问题:（20分）1.绿宝石的硅氧比为多少?硅氧四周体组成的是什么结构？(４分)2.Be和Aｌ分别与周边什么标高的几个氧配位?构成的配位多面体是什么？它们之间又是如何连接的？(8分)3.用Pａｕliｎg的连接规则说明标高65的氧电价是否平衡？（４分）4.根据结构说明绿宝石热膨胀系数不高、当半径小的Na+存在时,在直流电场下具有显著离子电导的因素。答:1，O／Si=３组群状结构2，Bｅ2＋与两个标高为65,2个标高为２５的O2-配位,形成[BeＯ4]四周体，Ａl3+与三个标高为65,３个标高为85的O2-配位，形成[AlO6］八面体，[BeＯ4]四周体和［AｌＯ6]八面体之间公用标高为65，８5的2个O２-离子,即共棱连接。３，标高为６5的O2-同时与一个Be2+，１个Ａl３＋，1个Ｓi４+相连。静电强度=＝O2-的电荷数,所以电价饱和。４,绿宝石结构中的六节环内没有其他例子存在,使晶体结构中存在大的环形空腔，当有电价低，半径小的Ｎa+离子存在时,在直流电场中会表现出显著离子导电，当晶体受热时,质点热振动振幅增大，大的空腔使晶体不会有明显的膨胀,因而表现出较小的参见滑石、蒙脱石、白云母的结构图，回答下列问题1.说明为什么这些矿物易在垂直c轴方向解理？(５分）2．为什么滑石粉末有滑腻感而白云母粉末没有？（５分）3.解释为什么蒙脱石易吸水,而滑石比较不易吸水？（5分)4.用电价规则说明Al３+置换骨架中的Sｉ４+时,通常不超过一半，否则将使结构不稳定。答：1，由于在层与层之间没有较强的化学键来连接，滑石层与层之间依靠较弱的分子间力来结合，蒙脱石层间由于Al３+可被Mｇ２+取代，使复网层带少量负电荷,白云母K+进行层间平衡电荷，但其较硅氧层的结合力弱的多。2，由于滑石层与层之间只能依靠较弱的分子间力来结合致使层间易相对滑动,而白云母层与层之间是是K+与硅氧层结合，虽然比层内化学键弱得多，但比分子间结合力大得多。３,由于蒙脱石结构中由于Al3＋可被Mg2＋取代,但复网层并不呈电中性，带有少量的负电荷,且复网层之间有斥力，使略带电中性的水化正离子易进入层间,如此同时，水分子也易渗透进层间,而滑石复网层内事电中性的。4，当有一半取代时：O２-离子的电荷数为：与O２－电荷数差值为，若取代超多一半则两者差必然超过,超过结构不稳定。根据纤锌矿（六方ZnＳ）结构图回答下列问题（１2分)：(1）指出结构中正负离子的堆积方式；（２）写出正负离子的配位数及配位多面体；（3)分别计算立方柱晶胞和平行六面体晶胞的晶胞分子数;(4)纤锌矿结构为什么具有热释电性？答：(1）S２-做六方最紧密堆积,Zｎ2-也做六方最紧密堆积，占四周体空隙的1／2(２)配位数都为4,[ＳZn4][ＺnS4](3)六方柱晶体中ZnS分子数为6，平行六面体中分子数为2.其结构中无对称中心,加热使整个晶体温度变化，结果在该晶体C轴垂直方向的一端出现正电荷,在相反的一侧出现负电荷的性质。2.简述硅酸盐晶体结构的基本特点(８分）。答：硅酸盐晶体结构非常复杂,但不同结构之间具有下面的共同特点:（1)结构中Sｉ４+离子位于Ｏ2-离子形成的四周体中心，构成硅酸盐的基本结构单元［ＳｉO4]四周体。(２)[SｉＯ4]四周体的每个顶点,即O２-离子最多只能为两个[SｉO4］四周体所共用。(3)两个相邻的[ＳiO4]四周体之间只能共顶而不能共棱或共面连接。（4)[SiO４]四周体中心的Ｓi4离子可部分的被Al3＋所取代,取代后结构自身并不发生变化，即所谓同晶取代，但晶体的性质却发生很大的变化。镁铝尖晶石MgAl2O4晶体结构中,氧离子作面心立方堆积，结构中A块和B块的质点配置见图。1.A块、B块重要反映的是哪种离子的配位情况?写出其配位多面体和配位数;（４分)２.指出结构中氧离子的配位数和配位多面体，并判断其电价是否饱和；（4分）3.若尖晶石的晶胞分子数为8，且A块、B块在空间交替出现，请构造尖晶石的单位晶胞;(4分)４.计算结构中空隙填充率;5.分析该结构是正尖晶石还是反尖晶石。(４分)

答：Ａ块重要反映Mｇ2+离子配位［MgＯ４]B块重要反映Al3+离子配位[ＡlO6]2，CNO2－=4，[OMｇAｌ3]静电强度=的电价数。34,Ｍg2＋离子占据四周体空隙的1／8,Al3+占据八面体空隙的1／25，正尖晶面１.硅酸盐晶体滑石的化学式为Mｇ3［Ｓｉ4Ｏ10］（OＨ）2，判断其结构类型,用氧化物写法表征滑石的分子式,分析其结晶习性。2.在钠硅酸盐玻璃中,分析Na2O对熔体粘度的影响,并说明理由。3.为什么相同组成的固体的表面能总是高于液体的表面能？答：1，层状结构，3MgO4SiO2H2Ｏ2,Na2O能减少熔体粘度，由于Na+半径大，电荷少，与O２-的作用力较小,提供了系统中的自由氧,减少了Si/O比,导致本来的硅氧负离子团解聚为较简朴的结构单元,因而减少了粘滞活化能，粘度变小。3，同一种物质，其液体固体表面结构不同,液体分子可以自由移动,总是通过形成球形表面来减少其表面能，固体则不能，固体质点不能自由移动,只能通过表面质点的极化、变形、重排来减少体统表面能,固体表面处在搞能量状态(由于表面力的存在)。钙钛矿ＡBO３型结构属于立方晶系,其中2价正离子位于立方晶胞顶点位置，4价正离子位于立方晶胞体心位置,2价负离子位于立方晶胞面心位置。(20分）1.画出钙钛矿型结构的晶胞投影图；2.指出晶胞中各离子的配位数；3．根据鲍林规则计算Ｏ2-离子电价是否平衡；４.BaＴiO３和CaＴｉO3都属于钙钛矿结构，其中ＢaTiＯ3晶体具有铁电效应而CａTｉO3没有，请从结构方面予以解释；5.证明形成抱负钙钛矿结构时,两种阳离子半径rA、

rＢ与氧离子半径rＯ之间满足下面的关系式rA+rＯ＝（rB+rＯ）答:1，图略２,CＮCa２＋=12ＣNO2-=６CＮTｉ4+=63，Ｏ2－的配位多面体为［OCa4Ti2]静电强度与O2-的电价一致,故电价平衡。4，具有铁电效应的晶体必存在自发极化，该极化源于晶胞内部正负离子电荷中心不重合，两者均为钙铁矿结构，符合ABO3组成形式,当Ａ原子发生变化，如半径增大必使晶胞参数增大，进而使八面体空隙增大,Ca2+半径小，在ＣaTiO３中八面体空隙小于Ti４+半径,Tｉ4+受到很强的弹性恢复力而不能固定在某处以产生正负电荷中心的偏离,故无自发极化的产生,而BaTｉO3中八面体空隙大于Ti４+半径,使其受到恢复力小，同时由于Ｔｉ４+的极化作用与O2－产生电场力，足以使Ｔｉ4+产生偏移形成自发极化偶极，又BaTiＯ3中[ＴiＯ6]八面体沿C轴呈直线排列,有助于电畴传递，故ＢaＴiＯ3有铁电效应。5,假设晶胞参数为a。,在晶胞侧面上有:2rA+２ｒｏ=a。在八面体内有：2rＢ+２ro=a。于是rA+ro=（Rb+rｏ）白云母的抱负化学式为KＡl2[AlＳi3O10](OH)2，其结构如下图所示，试分析白云母的结构类型、层的构成及结构特点、层内电性及层间结合。答:白云母ＫAl2(AlＳｉ3０1０)(OH)2,结构类型:络阴离子团为[AlＳi30１0］(Aｌ+Si):O=4:10层状结构硅酸盐层的构成：有图（1）可以看出非桥氧依次指向相反的方向,为复网层结构。复网层由两个硅氧层及中间的水铝层所组成。在每一层内Si4+与Ｏ２-配位CNsi4+＝４,形成[SiＯ4］多面体。Ａｌ3+同时与Ｏ2-和OH－配位，ＣN=６，形成[AlO4（OＨ)2]多面体Al3+占据八面体空隙的2／3,形成二八面体结构。［AｌＯ4（ＯH）2]多面体共棱相连，与[SiO４]之间共顶相连。层间结构：在层与层之间以K＋相连,K+的配位数为1２,由于K+电价低，半径大,电量小，与硅氧层的结合力较层内的化学键弱的多,故白云母易沿层间发生解理,可剥离成片状。Na２Ｏ晶体结构属于萤石型结构。（15分）1.试画出Nａ2O的晶胞结构图。2．根据晶胞结构指出３离子的配位数。3.该结构存在解理现象吗？请说明理由。4.Na2O晶体在扩散温度范围进行扩散解决时,结构中易出现何种机制的扩散?为什么?５.在Nａ2ＯcaOＳｉO2系统玻璃中,Na２Ｏ对该体系玻璃的电导率和化学稳定性有什么影响？如何克制其不利影响?答：反萤石结构图参看照片版２,Nａ+的配位数为4O２-配位数为１23,由于NaＯ晶体结构中一半的立方体空隙没有有被O2-填充,所以在｛111}面网方向上存在着互相比邻的同号离子层,其静电斥力其重要作用,导致晶体在平行余{111}面网方向上易发生解理,呈八面体解理。图1是Na2O的抱负晶胞结构示意图,试回答：

１.晶胞分子数是多少；4;

２．结构中何种离子做何种密堆积；何种离子填充何种空隙，所占比例是多少；Ｏ２-离子做面心立方密堆积，Na＋填所有四周体空隙；ﻫ3．结构中各离子的配位数为多少，写出其配位多面体；=4CNO2－=8［ＮaO4][OＮa8];

4．计算说明Ｏ2-的电价是否饱和；O2-电价饱和,由于O2-的电价＝(Na＋的电价／Na+的配位数）×Ｏ2的配位数;

ﻫ5．画出Ｎa２Ｏ结构在(０01）面上的投影图。

ﻫ二.图２是高岭石(Aｌ2O3·２SiO2·2Ｈ２O)结构示意图,试回答:

1．请以结构式写法写出高岭石的化学式；Ａl4[Si4Ｏ10](OH）8；ﻫ２.高岭石属于哪种硅酸盐结构类型;单网层状结构；

3.分析层的构成和层的堆积方向;一层硅氧层一层水铝石层且沿Ｃ轴方向堆积；

4．分析结构中的作用力;层内是共价键,层间是氢键；

5．根据其结构特点推测高岭石具有什么性质。片状微晶解理。ﻫ

根据ＣａTiＯ3晶胞图（见图1)回答下列问题:

2.结构中各离子的配位数为多少，写出其配位多面体;

3.晶胞分子数是多少？何种离子添何种空隙,空隙运用率是多少？ﻫTi４＋添八面体空隙,八面体空隙运用率１/4,四八面体空隙全;4.结构中是否存在TiO32－离子,为什么？否,由于Tｉ4+和O２-间没有明显的共价键成分ﻫ图２是镁橄榄石(Ｍg2[SiO4］)结构示意图,试回答:岛状结构

2.计算说明O2-的电价是否饱和;O2-与一个[ＳiO4]、三个［ＭgＯ6]配位:4/4×１+2/6×3=2＝Ｏ2-的电价，O２-的电价

3．结构中有几种配位多而体,各配位多面体间的连接方式如何?

结构中有两种配位多面体[SiO4]、[ＭｇＯ6](2分)；［SiO４]呈孤立的岛状，中间被[MgO６]隔开，ＳiO4]与[MgＯ6]之间共顶或共棱连接，同层的[MgO6]之间共棱、不同层的［MｇO６]之间共顶连接;4．镁橄榄石是否容易形成玻璃,为什么？

不易,由于镁橄榄石的Si／O=1/４,最低,网络连接限度弱,结构中络阴离子团尺寸小，迁移阻力小,熔体的粘度低,冷却过程中结构调整速率不久。（２分)ﻫ

图1图2ﻫ根据ＣａTiO３晶胞图(见图1）回答下列问题（18）:

１、晶面BＣGF、ＨＡＣ的晶面指数；晶向DF、ＡH的晶向指数。（100）(111)[111]［0-11]ﻫ2、结构中各离子的配位数为多少，写出其配位多面体;ＣNTｉ4+=６[ＴiＯ6]CＮCa2＋=12[ＣaO1２]CNO2--=６［ＯTi2Ca4]

３、晶胞分子数是多少？何种离子添何种空隙,空隙运用率是多少?

Z=１(1分）Ti４+

（1分)占据1/4八面体空隙4、计算说明O2-的电价是否饱和；由于：Z+＝２／1２*4+4/6*2=2=Z-

所以:饱和

5、结构中是否存在TiO3２-离子，为什么？不存在，由于是复合氧化合物ﻫ下列硅酸盐矿物各属何种结构类型（6）:ﻫr-Cａ2[Ｓi04],岛状K[AISｉ3Ｏ8],架状CaMg[Si2O6]，链状Mｇ3[Sｉ4O10](OH)２,层状Cａ2Aｌ[AlＳiＯ7]，组群状Ca2Mg5[Si4O1１]链状（ＯＨ）2

ﻫ根据Ｍg2[SiＯ４]在(110)面的投影图回答（1０分):

ﻫ（1)结构中有几种配位多面体,各配位多面体间的连接方式如何？有两种配位多面体,[SiO４],[MgO6]，同层的[MｇＯ6］八面体共棱，如５９[MgＯ6]和49[ＭgＯ６]共棱75Ｏ2-和27O2-,不同层的[MｇＯ6]八面体共顶，如１[MgO6]和51［ＭgO６]共顶是22O２－,同层的[MgO6］与［SｉＯ４]共顶，如T［ＭgＯ6］和７[SiO４]共顶2２O2-,不同层的[MgO6]与［SiO4]共棱,T［MｇO６]和４3[SiO4］共２8Ｏ2－和２8O2－；

(2)Ｏ2－的电价是否饱和?

（３)晶胞的分子数是多少?z=4

(４)Sｉ4+和Ｍg2＋所占的四周体空隙和八面体空隙的分数是多少?Si4+占四周体空隙＝1/8，Ｍg2+占八面体空隙=1／2。黑球:Si4+ﻫ小白球：Mｇ2＋ﻫ大白球：O2-二、晶体结构－性质关系(20分）1、根据下图的萤石结构图回答下列问题1)指出萤石结构中正负离子的堆积方式(两种方式）；Ｃａ2+面心立方堆积，简朴立方堆积写出结构中正负离子的配位数及其配位多面体；

钙的配位数为８,[ＣaF８］立方体;F的配位数为4,[ＦCa4]四周体Ca2＋离子的配位多面体之间是如何连接的?

[CａF8]立方体之间共棱（共用2个顶点）连接在结构图中用△和▽标示互相平行的同号离子层,分析萤石晶体的解理性。平行（11１）面存在同号离子层，外力作用下沿平行（11１）面方向有解理现象根据Si/Ｏ比例不同划分硅酸盐晶体结构类型。（6分)2、Si/O=1/２，架状结构;Si/O=4／10,层状结构;Sｉ/O＝4/11，双链结构;Si/O＝2/6,单链结构;Sｉ/O=2/７，组群状（双四周体)结构;Si/Ｏ=2/7,组群状(双四周体）结构；Si/O=1/3,组群状（环状）结构；Si／O=1/4,岛状结构;(6分)

二、作图题（１0分）1、

作图表达立方晶系的晶体中晶面和晶向（标出坐标系)。2、作图表达NaCl单晶表面的结构，并说明其结构特点。驰豫表面（或双电层结构）三、右图是CaF２的抱负晶胞结构示意图(白球是Cａ离子，黑球是F离子),试回答(12分）:

1、晶胞分子数是多少;４２、结构中何种离子做何种密堆积;结构中有几种空

隙,空隙运用率是多少;Ca2+离子做面心立方密堆积(２分)；四周体空隙１00%（1分)、八面体空隙全空结构中各离子的配位数为多少，写