化学奥赛晶体结构题.doc

晶体结构题一一（（2004 年年全全国国高高中中学学生生化化学学竞竞赛赛决决赛赛6 分分））氢是 重要而洁净的能源要利用氢气作能源，必须解决 好安全有效地储存氢气问题化学家研究出利用合金储存氢气， LaNi5是一种储氢材料 LaNi5的晶体 结构已经测定，属六方晶系，晶胞参数a=511 pm, c＝397 pm,晶体结构如图 2 所示⒈从 LaNi5晶体结构图中勾画出一个LaNi5晶胞 ⒉每个晶胞中含有多少个 La 原子和 Ni 原子？ ⒊LaNi5晶胞中含有 3 个八面体空隙和 6 个四面体空隙，若每个空隙填人1 个 H 原子，计算该 储氢材料吸氢后氢的密度，该密度是标准状态下氢气密度(8.987× 10-5 g·m-3)的多少倍？（氢的 相对原子质量为 1.008；光速 c 为 2．998×108 m·s-1；忽略吸氢前后晶胞的体积变化）解：⒈晶胞结构见图 4 ⒉晶胞中含有 1 个 La 原子和 5 个 Ni 原子 ⒊计算过程：六方晶胞体积： V=a2csin120°=(5.11×10-8)2×3.97×10-8×31/2/2 =89.7×10-24cm3 氢气密度是氢气密度的 1.87×103倍。

二二. (2006 年全国高中学生化学竞赛决赛理论试题年全国高中学生化学竞赛决赛理论试题 1)在酸化钨酸盐的过程中，钨酸根 WO42可能在不 同程度上缩合形成多钨酸根多钨酸根的组成常因溶液的酸度不同而不同，它们的结构都由含一个中心W 原子和六个配位 O 原子的钨氧八面体 WO6通过共顶或共边的方式形成在为数众多的多钨酸根中，性质和结构了解得比较清楚的是仲钨酸根[H2W12O42]10和偏钨酸根[H2W12O40]6在下面三张结构图中， 哪一张是仲钨酸根的结构？简述判断理由a) (b)(c) 解：提示：考察八面体的投影图，可以得到更清楚地认识 三．三．(2006 年全国高中学生化学竞赛决赛理论试题年全国高中学生化学竞赛决赛理论试题 4) 轻质碳 酸镁是广泛应用于橡胶、塑料、食品和医药工业的化工产品，它 的生产以白云石（主要成分是碳酸镁钙）为原料右图是省略了部分原子或离子的白云石晶胞[1] 写出图中标有 1、2、3、4、5、6、、7 的原子或离子的元素符号[2] 在答题纸的图中补上与 3、5 原子或离子相邻的其他原子或离子，再用连线表示它们与 Mg 的配 位关系。

解：四．四．(2006 年全国高中学生化学竞赛决赛理论试题年全国高中学生化学竞赛决赛理论试题 7)沸石分子筛是重要的石油化工催化材料下图是 一种沸石晶体结构的一部分，其中多面体的每一个顶点均代表一个 T 原子（T 可为 Si 或 Al） ，每一条边 代表一个氧桥（即连接两个 T 原子的氧原子） 该结构可以看成是由 6 个正方形和 8 个正六边形围成的 凸多面体（称为 β 笼） ，通过六方柱笼与相邻的四个 β 笼相连形成的三维立体结构，如下图所示： 1. 完成下列问题： [1] 若将每个 β 笼看作一个原子，六方柱笼看作原子之间的化学键， 上图可以简化成什么结构？在答题纸的指定位置画出这种结构的图形[2] 该沸石属于十四种布拉维点阵类型中的哪一种？指出其晶胞内有几个 β 笼 [3] 假设该沸石骨架仅含有 Si 和 O 两种元素，写出其晶胞内每种 元素的原子数[4] 已知该沸石的晶胞参数 a = 2.34 nm，试求该沸石的晶体密度相对原子质量：Si: 28.0 O: 16.0） 2. 方石英和上述假设的全硅沸石都由硅氧四面体构成，下图为方石英的晶胞示意图。

Si-O键长为 0.162 nm  AED=109o28’ [1] 求方石英的晶体密度 [2] 比较沸石和方石英的晶体密度来说明沸石晶体的结构特征 3. 一般沸石由负电性骨架和骨架外阳离子构成，利用骨架外阳离子的可交换性，沸石可以作为阳离子 交换剂或质子酸催化剂使用下图为沸石的负电性骨架示意图： AlSiSiOOOOOOOOOOM请在答题纸的图中画出上图所示负电性骨架结构的电子式（用“”表示氧原子提供的电子，用“”表示 T 原子提供的电子，用“*”表示所带负电荷提供的电子） 解： 3五五. (2004 年年全全国国高高中中学学生生化化学学竞竞赛赛决决赛赛4 题题)日本的白川英树等于 1977 年首先合成出带有金属 光泽的聚乙炔薄膜，发现它具有导电性这是世界上第一个导电高分子聚合物研究者为此获得了 2000 年诺贝尔化学奖1）写出聚乙炔分子的顺式和反式两种构型再另举一例常见高分子化合物，它也有顺反两种构型 （但不具有导电性） 2）若把聚乙炔分子看成一维晶体，指出该晶体的结构基元。

（3）简述该聚乙炔塑料的分子结构特点 （4）假设有一种聚乙炔由 9 个乙炔分子聚合而成，聚乙炔分子中碳—碳平均键长为 140pm若将上 述线型聚乙炔分子头尾连接起来，形成一个具有很好对称性的大环轮烯分子，请画出该分子的结构 π 电子在环上运动的能量可由公式 给出，式中 h 为普朗克常数 (6.626 × 10-34J·s)，me是电子质量（ 9.109 × 10-31kg），l 是大环周边的长度，量子数n=0，士 1，士 2，…计算电子 从基态跃迁到第一激发态需要吸收的光的波长5）如果 5 个或 7 个乙炔分子也头尾连接起来，分别形成大环轮烯分子，请画出它们的结构 （6）如果 3 个乙炔分子聚合，可得到什么常见物质并比较与由 5、7、9 个乙炔分子聚合而成的 大环轮烯分子在结构上有什么共同之处7）预测由 3、5、7、9 个乙炔分子聚合而成的化合物是否都具有芳香性？作出必要的说明解：（1）CCCCCCCC（顺式）CCCCCCCC（反式）（顺式）天然橡胶 （反式）杜仲胶（2）－CH＝CH－CH＝CH－（3）聚乙炔的结构单元是CH，每个碳原子轨道都是 sp2杂化，形成了三个共平面的，夹角约120°的杂化轨道，这些轨道与相邻的碳氢原子轨道键合构成了平面型的结构框架。

其余未成键的PZ轨道与这一分子平面垂直，它们互相重叠，形成长程的π 电子共轭体4）（5） （6）苯，都有 3 个顺式双键（苯看作单双键）（7）[6]轮烯（苯） 、[14]轮烯、[18]轮烯都具有芳香性；[10]轮烯不具有芳香性[10]轮烯虽然 π 电子也满足 4n＋2，但环内的 2 个氢原子的相对位置破坏了环的平面性六六. (中国化学会第中国化学会第 20 届全国高中学生化学竞赛试题第届全国高中学生化学竞赛试题第 8 题题（（9 分）分）) 超硬材料氮化铂略超硬材料氮化铂略 七七. (中国化学会第中国化学会第 20 届全国高中学生化学竞赛试题第届全国高中学生化学竞赛试题第 11 题题) 磷化硼是一种受到高度关注的耐磨涂料略 八八.(中国化学会中国化学会 2003 年全国高中学生化学竞赛试题第年全国高中学生化学竞赛试题第 6 题题 12 分分) 2003 年 3 月日本筑波材料科学国家 实验室一个研究小组发现首例带结晶水的晶体在 5K 下呈现超导性略 九九. (中国化学会中国化学会 2005 年全国高中学生化学竞赛试题年全国高中学生化学竞赛试题第第 2 题题 12 分）分） “爱因斯坦振荡器”的独立振荡原子 与温度关系的模型。

略 十十. (中国化学会中国化学会 2005 年全国高中学生化学竞赛试题年全国高中学生化学竞赛试题第第 8 题题 12 分）分）LiCl 和 KCl 同属 NaCl 型晶体， 略 十一十一. (第第 38 届国际化学奥林匹克竞赛理论试题届国际化学奥林匹克竞赛理论试题) Fe3O4 (磁铁矿)本身是一种含有 Fe2+ 、 Fe3+ 的混合氧 化物，属于 AB2O4(尖晶石)型化合物其中氧离子作面心立方最密堆积下图示出了氧离子(灰球)的堆积 形式与二价 A 离子、三价 B 离子的代表性位置墨球代表一个正四面体中心，白球代表一个正八面体中 心1. 在一个 AB2O4单元中，铁离子有多少个可填充的正八面体空隙?图中某些空隙是被相邻的单元共同拥有的 解：正八面体空隙 4 个； AB2O4可采用常式与反式尖晶石结构在常式尖晶石中，两个 B 离子分别占据两个八面体空隙；一个 A 离子占据一个正四 面体空隙在反式尖晶石结构中，两个 B 离子中的一个占据正 四面体空隙，另一个 B 离子和 A 离子占据正八面体空隙 2. 在 Fe3O4中，有百分之几的可填充的正四面体空隙被 Fe2+ 或 Fe3+占据? 解：1/8； 3 Fe3O4 属于反式尖晶石结构，请画出在晶体场中 Fe2+的分裂形式并填入电子。

电 子成对能大于八面体场分裂能 解：十二. (中国化学会第 20 届全国高中学生化学决赛竞赛试题第 4 题)晶体硼的基本结构单元都是由硼原子组成的正二十面 体的原子晶体，其中含有 20 个等边三角形 和一定数目的顶角，每个顶角上各有一个原子，试观察右边图形，回答：(1) 这个基本结构单元由 12 个硼原子组成，键角是 60 ，共含有 30 个 B－B 键 (2) 在每个 B－B 键长的三分之一处切掉所有的硼原子，形成的是 32 面体如果在此新形成的多面体的每个顶点上换上碳原子，就是一种新的微粒，其化学式为 C60 截角二十面體，F=32 (正五邊形×12、正六邊形×20); V=60; E=90解：十三. (中国化学会第 20 届全国高中学生化学决赛竞赛试题第 2 题)解：十四．十四． （中国化学会（中国化学会 2001 年全国高中学生化学竞赛（省级赛区）试题第年全国高中学生化学竞赛（省级赛区）试题第 5 题）题）今年 3 月发现硼化镁在 39K 呈超导性，略 十五．十五． （中国化学会（中国化学会 2001 年全国高中学生化学竞赛（省级赛区）试题年全国高中学生化学竞赛（省级赛区）试题 10 题）题）最近有人用一种称为“超 酸”的化合物 H(CB11H6Cl6) 和 C60反应，略 十六．十六． （中国化学会（中国化学会 2001 年全国高中学生化学竞赛（省级赛区）试题第年全国高中学生化学竞赛（省级赛区）试题第 11 题）题）研究离子晶体，常考 察以一个离子为中心时，其周围不同距离的离子对它的吸引或排斥的静电作用力。

设氯化钠晶体中钠离子跟离它最近的氯离子之间的距离为 d，以钠离子为中心，则： 1 第二层离子有 个，离中心离子的距离为 d，它们是 离子 2 已知在晶体中 Na＋离子的半径为 116pm，Cl－离子的半径为 167pm，它们在晶体中是紧密接触的 求离子占据整个晶体空间的百分数3 纳米材料的表面原子占总原子数的比例极大，这是它的许多特殊性质的原因，假设某氯化钠纳米颗粒的大小和形状恰等于氯化钠晶胞的大小和形状，求这种纳米颗粒的表面原子占总原子数的百分比4 假设某氯化钠颗粒形状为立方体，边长为氯化钠晶胞边长的 10 倍，试估算表面原子占总原子数的百 分比解：1） 12， ，钠 d2 2 晶胞体积 V＝[2×(116pm＋167pm)]3＝181×106pm3 离子体积 v＝4x (4/3)π(116pm)3＋4x (4/3)π(167pm)3＝104×106 pm3v/V＝57.5% （1 分） （有效数字错误扣 1 分,V 和 v 的计算结果可取 4 位，其中最后 1 位为保留数 字，不扣分 ）3 表面原子为 8(顶角)＋6(面心) ＋12(棱中心)＝26总原子数为 8(顶角)＋6(面心)＋12(棱中。