全國化學(xué)競賽初賽強(qiáng)化訓(xùn)練——原子結(jié)構(gòu)、晶體和氫鍵

1、全國化學(xué)競賽初賽強(qiáng)化訓(xùn)練原子結(jié)構(gòu)、晶體和氫鍵11984年，聯(lián)邦德國達(dá)姆施塔特重離子研究機(jī)構(gòu)阿姆布魯斯特和明岑貝格等人在重離子加速器上用58Fe離子轟擊208Pb靶時發(fā)現(xiàn)了265X。（1）X的元素符號是 ，X最高價氧化物的化學(xué)式是 。（2）用元素符號并在左上角和左下角分別標(biāo)注其質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)，寫出合成X的核反應(yīng)方程式（方程式涉及的其他符號請按常規(guī)書寫）。（3）最近有人用高能26Mg核轟擊248Cm核，發(fā)生核合成反應(yīng)，得到X的另一種同位素；然后釋放出粒子，得到質(zhì)量數(shù)為265的另一種核素。分別寫出核反應(yīng)方程式。答案：（1）Hs（1分） HsO4（1分） （2）FePbHsn（1分）（3）MgCmHs

2、5n HsSgHe（各1分）2在我們地球的物質(zhì)世界里的周期系是根據(jù)4個量子數(shù)建立的，即n1，2，3，；l0，1，（n1）；ml0，±1，±2，±l；ms±1/2。如果在另一個星球，那里的周期系也是由4個量子數(shù)建立的，但它們的關(guān)系為n1，2，3，；l0，±1，±2，±(n1)；ml0，1，2，l1；ms±1/2。如果在地球上的基本原理在這個星球上也是適用的（但不發(fā)生能級交錯現(xiàn)象），回答下列問題：（1）這個星球中第一、二、三、四、五、六層各有幾個亞層？（2）這個星球中s、p、d、f、g、h亞層各有幾個軌道？（3）這個星

3、球中第一、二、三、四、五、n層各有幾種元素？（4）寫出9、33號元素的價電子構(gòu)型；（5）寫出前112號元素電負(fù)性最大和最小的元素的原子序數(shù)；（6）寫出第二周期中可能的雜化軌道。（7）在這個星球中的有機(jī)化學(xué)是最可能以哪一種元素為基礎(chǔ)的？寫出原子序數(shù)。（8）在這個星球中，有哪些規(guī)則和地球上所用的8電子和18電子規(guī)則相當(dāng)？（9）如果這個星球中每個軌道只容納1個電子（ms1/2），其它量子數(shù)和基本原理不變，寫出前100號元素的稀有氣體的原子序數(shù)。答案：（1）1、3、5、7、9、11（1分） （2）1、2、3、4、5、6（1分）（3）2、12、30、56、90（1分）、2n(2n1)（1分）（4）1s2

4、2s22p22d3 1s22s22p42d63s23p43d63f7（各1分）（5）13 101（各1分）（6）sp、sp2、sp2d、sp2d、sp2d2、sp2d3、pd、pd2、pd3、p2d、p2d2、p2d3（2分）（7）8（1分） （8）12、30（1分）（9）2、11、31、66（1分）3已知等電子體間具有相似的空間構(gòu)型和成鍵形式，SO3、BF3、NO3、CO32互為等電子體。（1）指出上述等電子體的空間構(gòu)型和成鍵情況；（2）為什么上述等電子體不包括SiO32、O4？（3）列舉與N2為等電子體的分子或離子4種答案：（1）平面正三角形（1分） 除3個鍵外還有1個大鍵（1分）（2）S

5、iO32和O4都不是ABn型。SiO32是化學(xué)式（1分），它是SiO44以2個氧分別和另外2個SiO2相聯(lián)成長鏈或環(huán)狀物質(zhì)的化學(xué)式，不像CO32等那樣是一個單獨(dú)存在的離子單元（1分）；O4的構(gòu)型為（1分）。（3）CO、NO、CN、C22（2分）4NF3是一種三角錐體分子A，鍵角102°，沸點(diǎn)129；可在銅的催化作用下由F2和過量NH3反應(yīng)得到。 （1）寫出制備NF3的化學(xué)反應(yīng)方程式；（2）為什么NF3的鍵角比NH3的鍵角（107.3°）小得多？（3）為什么NF3的沸點(diǎn)比NH3的沸點(diǎn)（33）低得多？（4）用和表示出NH3和NF3分子中鍵的極性，預(yù)測這兩個分子極性大小，并解釋原

6、因。（5）預(yù)測NF3酸堿性情況？（6）在NF3中NF鍵能為280kJ/mol，比在BF3中BF鍵能（646kJ/mol）的1/2還小，請解釋原因。（7）NF3不易發(fā)生水解，而NCl3卻能發(fā)生水解。分析NF3不發(fā)生水解的3點(diǎn)理由和NCl3的水解反應(yīng)方程式。答案：（1）4NH33F2NF33NH4F（1分）（2）F電負(fù)性大于氫，故NF3中N周圍電子密度相對小于NH3中情形（1.5分）（3）NH3中有氫鍵，NF3只有范德華力（1.5分）（4） （1分）NF3分子的極性比NH3分子的極性?。?分）在NF3中，孤對電子產(chǎn)生的偶極方向和NF健產(chǎn)生的偶極方向相反而抵消，在NH3中NH鍵的凈偶極矩和孤對電子的

7、偶極矩方向一致（1分，NF3偶極矩0.78×1030C·m；NH3偶極矩4.74×1030C·m）（5）具有弱堿性，且堿性比NH3弱（1分）（6）B原子半徑比N原子小，且B、F電負(fù)性差比N、F電負(fù)性差大，因此BF單鍵比NF單鍵鍵能大（1分）；在BF3中，由于F和B的p軌道重疊，使BF健具有雙鍵特征（），因此在BF3中的鍵能更大（1分）。（7）電負(fù)性FN，N為，不接受H2O的H進(jìn)攻，不能發(fā)生親電水解（1分）；N只有4個價軌道，均被占據(jù)，不能發(fā)生親核水解（1分）；NF鍵能大，難斷開。（1分） NCl33H2ONH33HClO（1分）5自發(fā)現(xiàn)稀有氣體以來，人們

8、對其反應(yīng)活性的零星研究一直沒有停止過，稀有氣體化合物一度成為世界范圍內(nèi)的研究熱門。（1）稀有氣體氙能和氟形成多種氟化物，實(shí)驗(yàn)測定在353K、15.6kPa時，某氣態(tài)氟化物試樣的密度為0.899g/cm3，試確定該氟化物的分子式 ；（2）該化合物的電子排布為 構(gòu)型；（3）該化合物的晶體結(jié)構(gòu)已由中子衍射測定，晶體屬四方晶系產(chǎn)品，a431.5pm，c699pm，晶胞中有兩個分子，其中Xe：（0，0，0）、（1/2，1/2，1/2），F(xiàn)：（0，0，z）、（0，0，z），假設(shè)XeF鍵長200pm，計(jì)算非鍵FF、XeF的最短距離。并畫出一個晶胞圖。答案：（1）XeF2（1分）（2）三角雙錐（1分）（3）R

9、F-F299pm，RXe-Ag340pm（1分）（2分）6（1）一種金屬化合物中晶體結(jié)構(gòu)為立方面心點(diǎn)陣，Mg原子采用類似金剛石的排列，每4個Cu原子形成四面體，相互之間共用頂點(diǎn)連接起來，排布在Mg原子的空隙中。請問該晶胞中有 個原子，該金屬化合物最簡式為 。（2）以草酸鐵和草酸鋅為原料，按一定比例溶于水中充分?jǐn)嚢杌靹?，加熱并蒸去混合溶液的水分；逐漸共沉淀下來，產(chǎn)物幾乎為Fe3與Zn2均勻分布的的固溶體型草酸鹽混合物，過濾、灼燒，即成很好的固相反應(yīng)原料“前驅(qū)物”的制備即一種尖晶石型物質(zhì)A：O2作立方最密堆積，Zn2占據(jù)1/8的四面體空隙，F(xiàn)e3占據(jù)1/2的八面體空隙。請寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式。答

10、案：（1）24，MgCu2（各2分）（2）Fe2(COO)23Zn(COO)2ZnFe2O44CO4CO2（4分）7日本的白川英樹等于1977年首先合成出帶有金屬光澤的聚乙炔薄膜，發(fā)現(xiàn)它具有導(dǎo)電性。這是世界上第一個導(dǎo)電高分子聚合物。研究者為此獲得了2000年諾貝爾化學(xué)獎。（1）寫出聚乙炔分子的順式和反式兩種構(gòu)型。再另舉一例常見高分子化合物，它也有順反兩種構(gòu)型（但不具有導(dǎo)電性）。（2）若把聚乙炔分子看成一維晶體，指出該晶體的結(jié)構(gòu)基元。（3）簡述該聚乙炔塑料的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。（4）假設(shè)有一種聚乙炔由9個乙炔分子聚合而成，聚乙炔分子中碳碳平均鍵長為140pm。若將上述線型聚乙炔分子頭尾連接起來，形成一

11、個具有很好對稱性的大環(huán)輪烯分子，請畫出該分子的結(jié)構(gòu)。 （5）如果5個或7個乙炔分子也頭尾連接起來，分別形成大環(huán)輪烯分子，請畫出它們的結(jié)構(gòu)。（6）如果3個乙炔分子聚合，可得到什么常見物質(zhì)。并比較與由5、7、9個乙炔分子聚合而成的大環(huán)輪烯分子在結(jié)構(gòu)上有什么共同之處。（7）預(yù)測由3、5、7、9個乙炔分子聚合而成的化合物是否都具有芳香性？作出必要的說明。答案：（1）（順式） （反式）（各1分） （1分）（順式）天然橡膠 （反式）杜仲膠（2）CHCHCHCH（1分）（3）聚乙炔的結(jié)構(gòu)單元是CH，每個碳原子軌道都是sp2雜化，形成了三個共平面的，夾角約120°的雜化軌道，這些軌道與相鄰的碳?xì)湓?/p>

12、軌道鍵合構(gòu)成了平面型的結(jié)構(gòu)框架。其余未成鍵的PZ軌道與這一分子平面垂直，它們互相重疊，形成長程的電子共軛體。（2分）（4）（2分）（5） （各1分）（6）苯（1分）都有3個順式雙鍵（苯看作單雙鍵）（1分）（7）6輪烯（苯）、14輪烯、18輪烯都具有芳香性；10輪烯不具有芳香性。10輪烯雖然電子也滿足4n2，但環(huán)內(nèi)的2個氫原子的相對位置破壞了環(huán)的平面性。8PdO屬四方晶系，在其晶體中，Pd原子和O原子分別以層狀排布，其中O原子層與層之間能夠完全重合，而Pd原子則每隔一層重復(fù)一次，試畫出PdO的晶胞，并指出距Pd最近的原子有幾個，呈何種立體構(gòu)型？ 分析：PdO屬四方晶系，其中Pd原子則每隔一層重復(fù)

13、一次，說明晶胞中有兩類不同空間環(huán)境的Pd原子，考慮到Pd常采用四配位，Pd2采用dsp2雜化呈平面四方形，故晶胞中含有四個Pd原子。做圖如右。距離Pd原子最近的原子為氧原子，有4個，呈平面四方形。9氟硅酸H2SiF6具有很好的防治小麥銹病的藥效，但它易按下式分解而失效: H2SiF6(l)SiF4(g) + 2HF(g)。后來人們將四氟化硅氣體通入尿素的甲醇溶液制得了氟硅酸脲晶體，它易溶于水，和含量相同的氟硅酸具有相同的防銹藥效，并有許多優(yōu)越性能而成為氟硅酸的替代產(chǎn)品。晶體結(jié)構(gòu)測試表明，氟硅酸脲屬四方晶系，晶胞參數(shù)a926.3pm, c1789.8pm, 晶體密度1.66g.cm-3; 晶體由

14、(NH2)2CO2H+和SiF62-兩種離子組成，其中(NH2)2CO2H+是由兩個尿素分子俘獲一個質(zhì)子形成的脲合質(zhì)子。 （1）試分析脲合質(zhì)子(NH2)2CO2H+的結(jié)構(gòu)和成鍵情況；（2）計(jì)算說明一個氟硅酸脲晶胞中包含多少個這樣的脲合質(zhì)子；（3）與氟硅酸相比，氟硅酸脲能有效地保持藥效并減小腐蝕性，請解釋原因。答案：（1） 或 2個尿素分子俘獲1個質(zhì)子H+，在尿素分子的2個氧原子間形成很強(qiáng)的氫鍵OHO。（2）根據(jù)密度計(jì)算公式可得：根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，一個晶胞中包含4個(NH2)2CO2H2SiF6，即一個晶胞中有8個脲合質(zhì)子(NH2)2CO2H+。 （3）因?yàn)樵诜杷犭寰w每2個尿素分子俘獲1個質(zhì)

15、子H+形成脲合質(zhì)子(NH2)2CO2H+，被俘獲的質(zhì)子與2個尿素分子的O原子間形成很強(qiáng)的氫鍵OHO，這就使得氟硅酸脲緩慢地釋放質(zhì)子，而有效地抑制了下述反應(yīng)的進(jìn)行：H2SiF6(l) = SiF4(g) + 2HF(g)，從而能有效地保持藥效并減小腐蝕性。10經(jīng) X射線分析鑒定，某一離子晶體屬于立方晶系，其晶胞參數(shù) a=403.lpm。晶胞頂點(diǎn)位置為Ti4+所占，體心位置為Ba2+所占，所有棱心位置為O2-所占。請據(jù)此回答或計(jì)算：（1）用分?jǐn)?shù)坐標(biāo)表達(dá)各離子在晶胞中的位置。（2）寫出此晶體的化學(xué)式。 （3）指出晶體的點(diǎn)陣型式和結(jié)構(gòu)基元。（4）指出Ti4+的氧配位數(shù)和Ba2+的氧配位數(shù)。（5）計(jì)算兩

16、種正離子的半徑值（O2-半徑為 140 pm）。（6）Ba2+和O2-聯(lián)合組成哪種型式的堆積？（7）O2-的配位情況怎樣？答案：（1）Ti4+:0,0,0; Ba2+:1/2,1/2,1/2; O2-:1/2,0,0 0,1/2,0 0,0,1/2。（2）BaTiO3（3）晶體的點(diǎn)陣型式為簡單立方，一個晶胞即一個結(jié)構(gòu)基元。（4）Ti4+的氧配位數(shù)為6，Ba2+的氧配位數(shù)12。（5）在晶胞的棱上，Ti4+和O2-互相接觸，故 Ba2+和O2-在高度為1/2a且平行于立方晶胞的面對角線方向上互相接觸，因而 （6）聯(lián)合組成立方最密堆積 。（7）O2-的鈦配位數(shù)為2，O2-的鋇配位數(shù)為4。11SiC具

17、有高硬度、高耐磨性、高耐腐蝕性及較高的高溫強(qiáng)度等特點(diǎn)，已成為一種重要的工程材料。其晶體具有六方ZnS型結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)為a308pm，c505pm，已知C原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為0，0，0和 ；Si原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為 和 （1） 按比例畫出SiC六方晶胞。（2）每個晶胞中含有SiC 個。（3）晶體中Si的堆積型式是 。 C填充的空隙類型是 。 （4）列式計(jì)算CSi鍵長。 答案：（1）SiC六方晶胞 （2）每個晶胞中含有2個SiC。 （3）Si原子作六方最密堆積，C原子填充在Si圍成的四面體空隙中。 （4）由（1）中晶胞圖可以看出，Si-C鍵長為：12實(shí)驗(yàn)表明，乙烯在很低的溫度下能凝結(jié)成分子晶體，經(jīng)X-射線

18、分析鑒定，其晶體結(jié)構(gòu)屬于正交晶系，晶胞參數(shù)為：a = 4.87Å，b = 6.46 Å，c = 4.15 Å，晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 （1）該晶體的晶胞類型是 。（2）晶體的理論密度是 cm-3。（3）設(shè)C原子形成的雙鍵中心對稱地通過原點(diǎn)，離原點(diǎn)最近的C原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為（0.11, 0.06, 0.00），試計(jì)算C=C共價鍵長是 Å。 答案：（1）簡單正交晶胞（2）0.71 g·cm-3（3）1.32 Å 13C60分子本身是不導(dǎo)電的絕緣體，但它的金屬化合物具有半導(dǎo)體性、超導(dǎo)性。1991年4月Hebard等首先報道摻鉀C60有超導(dǎo)性，超

19、導(dǎo)臨界溫度19K。研究表明KxC60的晶體結(jié)構(gòu)中，C60具有面心立方結(jié)構(gòu)（與NaCl晶體結(jié)構(gòu)中Na或Cl的排列方式類似），而K填充在其四面體和八面體空隙中，晶胞參數(shù)1.4253nm（相當(dāng)于NaCl晶胞的邊長）。（1）C60晶體類型與KxC60晶體類型分別是 、 。（2）占據(jù)四面體空隙和八面體空隙中的K數(shù)之比是 。（3）X 。（4）如果K半徑為0.112nm，則C60的分子半徑約為 。（5）計(jì)算KxC60的密度。答案：（1）分子晶體 離子晶體 （2）21 （3）3 （4）0.505nm （5）1.92g/cm314碳的第三種單質(zhì)結(jié)構(gòu)C60的發(fā)現(xiàn)是國際化學(xué)界的大事之一。經(jīng)測定C60晶體為面心立方結(jié)

20、構(gòu)，晶胞參數(shù)a1420pm。每個C60平均孔徑為700pm，C60與堿金屬能生成鹽，如K3C60。人們發(fā)現(xiàn)K3C60具有超導(dǎo)性，超導(dǎo)臨界溫度為18K。K3C60是離子化合物，在晶體中以K和C603-存在，它的晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)測定也是面心立方，晶胞參數(shù)a1424pm。阿伏加德羅常數(shù)為6.02×1023mol-1，請回答：（1）畫出C60的晶胞。（2）計(jì)算相鄰C60球體最近距離，為什么這距離大于C60籠的孔直徑。（3）相鄰C60球體間的距離是多少？（4）與石墨平面原子間距離（335pm）相比，你認(rèn)為在C60晶體中C60C60間作用力屬于哪一種類型？（5）C60晶體的晶胞中存在何種空隙？各有多少

21、空隙？（6）K3C60晶體的晶胞中有多少個K？它們位于晶胞中何處？（7）同一溫度下，K3C60的晶體密度比C60的晶體密度增大了多少？答案：（1）答案見右圖。（2）最近距離(2dmin)2a2a2 dmin22a2/4 dmin21/2/21004pm dmin700pm，說明在C60晶體中，C60C60之間不接觸，是分子晶體。（3）距離為1004700304pm（4）304pm335pm，石墨層間的作用力屬于范德華力，是分子間作用力。C60C60間作用力應(yīng)為分子間作用力，由于C60的摩爾質(zhì)量大于C的摩爾質(zhì)量，故作用力大些，d335pm。（5）晶胞中存在四面體和八面體兩種空隙，有8個四面體空隙

22、，4個八面體空隙。（6）K3C60晶胞中含有4個結(jié)構(gòu)基元，因此有12個K，其中，8個K處于8個四面體空隙中，還有4個K處于4個八面體空隙中。 （7）C60：d1.672g/cm3 K3C60：d1.928g/cm3 K3C60的晶體密度比C60增大了0.256g/cm315水在不同的溫度和壓力條件下可形成11種不同結(jié)構(gòu)的晶體，密度從比水輕的0.92g·cm3到約為水的一倍半的1.49 g·cm-3。冰是人們迄今已知的由一種簡單分子堆積出結(jié)構(gòu)花樣最多的化合物。其中在冰中，每個氧有8個最近鄰，其中與4個以氫鍵結(jié)合，OHO距離為295pm，另外4個沒有氫鍵結(jié)合，距離相同。（1）畫

23、出冰的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖（氧用表示，氫用表示），標(biāo)明共價鍵（）和氫鍵（-）。 （2）計(jì)算冰晶體的密度。答案：（1）氧原子坐標(biāo)：（0，0，0）、（1/2，1/2，1/2）（2）1.51g/cm3（冰是密度最大的一種，密度與1.49的差異在于晶體理想化處理的必然：由鍵長計(jì)算金剛石和石墨的密度都有這樣的微小誤差）。16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，然后第二層就堆積在第一層的空隙上。請根據(jù)Ax的堆積形式回答:（1）計(jì)算在片層結(jié)構(gòu)中（如圖所示）球數(shù)、空隙數(shù)和切點(diǎn)數(shù)之比 （2）在Ax堆積中將會形成正八面體空隙和

24、正四面體空隙。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）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的相對原子質(zhì)量為58.70）（7）如果CuH晶體中Cu的堆積形式為Ax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，老師說Ax就是A1或A3的某一種。你認(rèn)為是哪一種，為什么？ 答案：（1） 112 （2）112 一個球參與

25、六個正八面體空隙，一個正八面體空隙由六個球圍成；一個球參與八個正四面體空隙，一個正四面體空隙由四個球圍成。（3）小球的配位數(shù)為12 平面已配位4個，中心球周圍的四個空隙上下各堆積4個，共12個。 （4）74.05% 以4個相鄰小球中心構(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，則正四棱柱邊長為2r，高為r，共包括1個小球（4個1/4，1個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。 （6）8.91g/cm3 根據(jù)第（4）題，正四棱柱質(zhì)量為58.70/NAg，體積為1.094×10-23cm3。（7）H填充在正四面體空隙，占有率為50% 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。 （8）Ax就是A1，取一個中心小球周圍的4個小球的中心為頂點(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心小球是面心，周圍四小球是頂