化學(xué)鍵分子結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)

1、 化學(xué)鍵分子結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)化 學(xué) 競(jìng) 賽 輔 導(dǎo) 測(cè) 試 題第一題:人造元素豐收年，一年間得到第114、116和118號(hào)三個(gè)新元素。按已知的原子結(jié)構(gòu)規(guī)律，118號(hào)元素應(yīng)是第_ 第_族元素，它的單質(zhì)在常溫常壓下最可能呈現(xiàn)的狀態(tài)是_（氣、液、固選一填入）態(tài)。近日傳聞俄國(guó)合成了第166號(hào)元素，若已知原子結(jié)構(gòu)規(guī)律不變，該元素應(yīng)是第_周期第_族元素。第二題金屬多鹵化物中一般沒(méi)有F離子，但少數(shù)一些含有F離子的多鹵化物可以穩(wěn)定存在，BaFBr就是一例。在BaFBr晶體的四方晶胞（a=bc，=90°）中，Ba離子占據(jù)晶胞的體心附近與頂點(diǎn)的位置，F(xiàn)離子在晶體中構(gòu)成一層層正方形網(wǎng)格， Br離子可看作構(gòu)成

2、類似F離子的網(wǎng)格，不同的是Br離子是ABAB型堆積的。問(wèn)：1、你認(rèn)為金屬多鹵化物中一般沒(méi)有F離子的主要原因是什么：2、在右邊的框中畫出BaFBr的晶胞：3、晶體中同種離子的空間環(huán)境是否均相同？是否相同分析：4、F、Br離子的陽(yáng)離子配位數(shù)分別為多少：第三題（18分）碳化硅（SiC）俗名“金剛砂”，有類似金剛石的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。其空間結(jié)構(gòu)中碳硅原子相間排列，右圖所示為碳化硅的晶胞（其中為碳原子，為硅原子）。已知：碳原子半徑為7.7×1011m，硅原子半徑為1.17×1010m，SiC晶體密度為3.217g/cm3）1SiC是 晶體，碳、硅原子雜化類型都是 ，鍵角都是 ，三個(gè)碳原子和

3、三個(gè)硅原子相間構(gòu)成一個(gè) 式（船、椅）六元環(huán)。2如右圖所示碳化硅晶胞，從立方體對(duì)角線的視角觀察，畫出一維空間上碳、硅原子的分布規(guī)律（注意原子的比例大小和相對(duì)位置，至少畫兩個(gè)周期）3從與對(duì)角線垂直的平面上觀察一層碳原子的分布，請(qǐng)?jiān)诙S平面是畫出碳原子的分布規(guī)律（用表示，至少畫15個(gè)原子，假設(shè)片層碳原子間分別相切）；計(jì)算二維空間上原子數(shù)、切點(diǎn)數(shù)和空隙數(shù)的比例關(guān)系 再考慮該片層結(jié)構(gòu)的上下各與其相鄰的兩個(gè)碳原子片層。這兩個(gè)碳原子的片層將投影在所畫片層的 （原子、切點(diǎn)、空隙）上，且這兩個(gè)片層的碳原子 （相對(duì)、相錯(cuò)）4如果我們以一個(gè)硅原子為中心考慮，設(shè)SiC晶體中硅原子與其最近的碳原子的最近距離為d，則與硅

4、原子次近的第二層有 個(gè)原子，離中心原子的距離是 ，它們都是 原子。5如果我們假設(shè)碳、硅原子是剛性小球，在晶體中彼此相切，請(qǐng)根據(jù)碳、硅原子半徑計(jì)算SiC的密度，再根據(jù)理論值計(jì)算偏差，并對(duì)產(chǎn)生偏差的原因作一合理解釋。6估算SiC晶體的原子占據(jù)整個(gè)空間的百分?jǐn)?shù)，只需給出一個(gè)在5%以內(nèi)的區(qū)間。第四題（6分）金屬鈮能與鹵素形成簇狀化合物，下圖所示為三種NbaXb的結(jié)構(gòu)單元。它們的共同特點(diǎn)是六個(gè)Nb原子形成八面體骨架，鹵原子通過(guò)雙橋基（X）或三橋基（）與Nb原子相連，結(jié)構(gòu)單元之間通過(guò)雙橋基相連。請(qǐng)據(jù)圖寫出以下三個(gè)物質(zhì)的化學(xué)式： 第五題（9分）閱讀有關(guān)光合作用與葡萄糖的材料，回答下問(wèn)題：光合作用是生物界最基

5、本的物質(zhì)代謝和能量代謝，生物體生命活動(dòng)所需的有機(jī)物與能量，從根本上說(shuō)都來(lái)自光合作用。在綠色植物光合作用中，每放出一個(gè)氧分子要吸收8個(gè)波長(zhǎng)為6.88×107m的光子（一個(gè)光子的能量為Ehc/，h6.63×1034J·s），同時(shí)每放出1mol O2，植物儲(chǔ)存469kJ能量。糖是體內(nèi)的主要能源，人體所需的各種熱量，70%由糖類提供。理論上，每摩爾葡萄糖在體內(nèi)完全氧化時(shí)，釋放的熱量為2872kJ。葡萄糖完全氧化分解時(shí)的能量變化方程式為：C6H12O66O238H3PO438ADP6CO244H2O38ATPATPH2OADPH3PO430.6kJ假想把光合作用的逆過(guò)程設(shè)計(jì)

6、成原電池，在一個(gè)電極上把O2還原成水，而在另一個(gè)電極上把葡萄糖氧化成CO2，該原電池的電動(dòng)勢(shì)為1.24V。1估算光合作用中綠色植物的能量轉(zhuǎn)換效率 （保留3位有效數(shù)字）2人體內(nèi)葡萄糖完全氧化分解時(shí)，能量的利用率為 （保留3位有效數(shù)字）3寫出原電池正負(fù)極的電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式。 第六題（6分）在極性分子中，正電荷重心同負(fù)電荷重心間的距離稱偶極長(zhǎng)，通常用d表示。極性分子的極性強(qiáng)弱同偶極長(zhǎng)和正（或負(fù)）電荷重心的電量（q）有關(guān)，一般用偶極矩（）來(lái)衡量。分子的偶極矩定義為偶極長(zhǎng)和偶極上一端電荷電量的乘積，即=d·q。試回答以下問(wèn)題：1O3、SF6、CH2Cl2、P4O6 4種分子中0的是 ；2對(duì)

7、硝基氯苯、鄰硝基氯苯、間硝基氯苯，3種分子的偶極矩由大到小的排列順序是： ；3實(shí)驗(yàn)測(cè)得：PF31.03德拜、BCl30德拜。由此可知，PF3分子是 構(gòu)型，BC13分子是 構(gòu)型。4治癌藥Pt(NH3)2Cl2具有平面四邊形結(jié)構(gòu)，Pt處在四邊形中心，NH3和Cl分別處在四邊形的4個(gè)角上。已知該化合物有兩種異構(gòu)體，棕黃色者0，淡黃色者=0。試畫出兩種異構(gòu)體的構(gòu)型圖，并比較在水中的溶解度。構(gòu)型圖：淡黃色 ，棕黃色 ；在水中溶解度較大的是 。第七題（12分）1疊氮離子N3經(jīng)由氨基鈉與NO3離子或N2O在一定溫度下合成，試寫出這些反應(yīng)的離子方程式；2N3離子中N的氧化數(shù)為多少？其中氮原子（中心）采取何種雜

8、化類型？寫出兩種與N3離子是等電子體的物種；3HN3（疊氮酸）有哪些可能的共振結(jié)構(gòu)？標(biāo)明每個(gè)共振結(jié)構(gòu)中所有原子的形式電荷。討論HN3分子中三個(gè)氮原子之間鍵長(zhǎng)的長(zhǎng)短；4離子型疊氮化物是不穩(wěn)定的，但它可以在室溫下進(jìn)行操作，可以作為機(jī)動(dòng)車的“空氣袋”，為什么？5氮?dú)獾拇笠?guī)模制備是通過(guò)分餾液態(tài)空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著氮?dú)獾拇罅渴褂?，仍然促使人們建立某種比空氣液化和分餾法成本更低的制備工藝。請(qǐng)你設(shè)想在室溫下由空氣分離氮?dú)夂脱鯕獾姆椒ǎ由媳匾恼f(shuō)明）。第八題（19分）某同學(xué)在學(xué)習(xí)等徑球最密堆積（立方最密堆積A1和六方最密堆積A3）后，提出了另一種最密堆積形式Ax。如右圖所示為Ax堆積的片層形式，然后第二層就堆積

9、在第一層的空隙上。請(qǐng)根據(jù)Ax的堆積形式回答：1 計(jì)算在片層結(jié)構(gòu)中（如右圖所示）球數(shù)、2 空隙數(shù)和切點(diǎn)數(shù)之比 2在Ax堆積中將會(huì)形成正八面體空隙和正四面體空隙。請(qǐng)?jiān)谄瑢訄D中畫出正八面體空隙（用·表示）和正四面體空隙（用×表示）的投影，并確定球數(shù)、正八面體空隙數(shù)和正四面體空隙數(shù)之比 3指出Ax堆積中小球的配位數(shù) 4計(jì)算Ax堆積的原子空間利用率。5計(jì)算正八面體和正四面體空隙半徑（可填充小球的最大半徑，設(shè)等徑小球的半徑為r）。6已知金屬Ni晶體結(jié)構(gòu)為Ax堆積形式，Ni原子半徑為124.6pm，計(jì)算金屬Ni的密度。（Ni的相對(duì)原子質(zhì)量為58.70）7如果CuH晶體中Cu的堆積形式為A

10、x型，H填充在空隙中，且配位數(shù)是4。則H填充的是哪一類空隙，占有率是多少？8當(dāng)該同學(xué)將這種Ax堆積形式告訴老師時(shí)，老師說(shuō)Ax就是A1或A3的某一種。你認(rèn)為是哪一種，為什么？第九題:NO2是一奇電子分子，在413K以下能二聚成無(wú)色的抗磁性氣體N2O4，超過(guò)423K時(shí)，NO2發(fā)生分解。N2O4被用作第一艘登月飛船的液體推進(jìn)系統(tǒng)中的氧化劑，其主要燃料是肼。N2O4僅在固態(tài)時(shí)是純凈物質(zhì)，其熔點(diǎn)為264K，沸點(diǎn)為294K。X射線衍射分析結(jié)果表明：N2O4分子是平面狀結(jié)構(gòu)，且所有的NO鍵長(zhǎng)都相等。當(dāng)N2O4為液態(tài)時(shí)，能夠微弱地解離生成硝酸亞硝酰鹽。1寫出N2O4在登月飛船的液體推進(jìn)系統(tǒng)中所發(fā)生主要反應(yīng)的方

11、程式；2說(shuō)明N2O4分子中N原子的雜化方式和成鍵情況；N2H4分子是否與N2O4具有類似的空間構(gòu)型，為什么。3將銅溶于乙酸乙酯的N2O4溶液中可制得無(wú)水硝酸銅，寫出這個(gè)制備反應(yīng)的化學(xué)方程式。第一題答案: 七; 零; 氣; 八; VIA第二題金屬多鹵化物中一般沒(méi)有F離子，但少數(shù)一些含有F離子的多鹵化物可以穩(wěn)定存在，BaFBr就是一例。在BaFBr晶體的四方晶胞（a=bc，=90°）中，Ba離子占據(jù)晶胞的體心附近與頂點(diǎn)的位置，F(xiàn)離子在晶體中構(gòu)成一層層正方形網(wǎng)格， Br離子可看作構(gòu)成類似F離子的網(wǎng)格，不同的是Br離子是ABAB型堆積的。問(wèn)：1、你認(rèn)為金屬多鹵化物中一般沒(méi)有F離子的主要原因是

12、什么：氟化物的晶格能很大，互鹵化物通常極易分解為氟化物。如二氯氟化銫會(huì)自發(fā)分解為氟化銫和氯氣。(2分)2、在右邊的框中畫出BaFBr的晶胞：(4分)3、晶體中同種離子的空間環(huán)境是否均相同？是否相同：各有兩種不同的環(huán)境。(2分)分析：把其中一種離子上下翻轉(zhuǎn)180°才與另一種離子的環(huán)境相同。 (只要表述清楚均可給分)(2分)（另注：體心的Ba離子與五個(gè)Br離子的距離是一樣的。）4、F、Br離子的陽(yáng)離子配位數(shù)分別為多少：F離子為4，Br離子為5(各2分)第三題1原子 sp3 109°28 椅（各0.5分）2（空隙長(zhǎng)度等于碳、硅原子直徑和）（2分）3如右圖所示，一個(gè)碳原子周圍是六個(gè)

13、碳原子（2分） 132（1分） 空隙 相錯(cuò)（1分）412 2d/3 硅（各1分）5晶胞質(zhì)量為4×(12.0128.09)/NA g，晶胞體積為(1.170.77)×108×4/3cm3，密度為2.96（2分）偏差：(2.963.217)/3.2177.94%（數(shù)據(jù)可以有偏離，但應(yīng)給出負(fù)號(hào)）（1分）密度偏小，說(shuō)明實(shí)際晶胞體積比計(jì)算值小，即碳、硅原子間的距離應(yīng)比兩個(gè)半徑小，實(shí)際上碳、硅原子間有共價(jià)鍵作用，而不能假設(shè)成相切（是相交）。（2分）6 38.3%41.7%（利用原子體積與晶胞體積之比）四題Nb6F15 Nb6Cl14 Nb6I11（各2分）五題133.7%（3

14、分）240.5%（3分）3正極 O24H+4e2H2O（1分） 負(fù)極 C6H12O66H2O24e6CO224H+ （1分） 總反應(yīng) C6H12O66O26CO26H2O（1分）六題1SF6、P4O6（2分，多一個(gè)或漏一個(gè)各扣1分）2鄰間對(duì)（1分）3三角錐形 平面三角形（1分）4（1分） 棕黃色者（1分）七題:13NH2NO3N33OHNH3；2NH2N2ON3OHNH3（3分，產(chǎn)物中有H2O，無(wú)NH3扣1分）2N3中N的氧化數(shù)為1/3，N原子均采取sp雜化。N3的等電子體物種如CO2、N2O、NO2。（3分）3HN3：按稀有氣體結(jié)構(gòu)計(jì)算各原子最外層電子數(shù)之和n023×826，而各原

15、子價(jià)電子數(shù)之和nv13×516，故成鍵數(shù)為(2616)/25，孤對(duì)電子的對(duì)數(shù)為(165×2)/23（對(duì)）。 HN3的共振結(jié)構(gòu)（如右圖）：由于N（a）N（b）鍵級(jí)為1.5，而N（b）N（c）鍵級(jí)為2.5，故N（a）N（b）的鍵長(zhǎng)要比N（a）一N（c）的長(zhǎng)。（3分）4離子型疊氮化物雖然可以在室溫下存在，但在加熱或撞擊時(shí)分解為氮?dú)夂徒饘伲ú槐ǎ?，故可作為“空氣袋”。?分）5可用物理吸附法或化學(xué)反應(yīng)法，如用分子篩吸附氧；用合成載氧體吸氧或用乙基蒽醇與氧反應(yīng)生成H2O2等，隨后再放出氧。（2分，方法1分，說(shuō)明1分，答出一類即可）八題11:1:2（2分） 一個(gè)球參與四個(gè)空隙，一個(gè)空

16、隙由四個(gè)球圍成；一個(gè)球參與四個(gè)切點(diǎn)，一個(gè)切點(diǎn)由二個(gè)球共用。2圖略，正八面體中心投影為平面空隙中心，正四面體中心投影為平面切點(diǎn)1:1:2（2分）一個(gè)球參與六個(gè)正八面體空隙，一個(gè)正八面體空隙由四個(gè)球圍成；一個(gè)球參與八個(gè)正四面體空隙，一個(gè)正四面體空隙由四個(gè)球圍成。3小球的配位數(shù)為12（1分）平面已配位4個(gè)，中心球周圍的四個(gè)空隙上下各堆積4個(gè)，共12個(gè)。474.05%（3分）以4個(gè)相鄰小球中心構(gòu)成底面，空隙上小球的中心為上底面的中心構(gòu)成正四棱柱，設(shè)小球半徑為r，則正四棱柱邊長(zhǎng)為2r，高為r，共包括1個(gè)小球（4個(gè)1/4，1個(gè)1/2），空間利用率為5正八面體空隙為0.414r，正四面體空隙為0.225r。（4分）68.91g/cm3（3分）根據(jù)第4題，正四棱柱質(zhì)量為58.70/NAg，體積為1.094×1023cm3。7H填充在正四面體空隙，占有率為50%（2分）正四面體為4配位，正八面體為6配位，且正四面體空隙數(shù)為小球數(shù)的2倍。8Ax就是A1，取一個(gè)中心小球周圍的4個(gè)小球的中心為頂點(diǎn)構(gòu)成正方形，然后上面再取兩層，就是頂點(diǎn)面心的堆積形式。底面一層和第三層中