歷年高中化學(xué)競賽晶體題

1、2000年-2005年晶體考題一 畫晶胞（2003）第6題（12分） 2003年3月日本筑波材料科學(xué)國家實驗室一個研究小組發(fā)現(xiàn)首例帶結(jié)晶水的晶體在5K下呈現(xiàn)超導(dǎo)性。據(jù)報道，該晶體的化學(xué)式為 Na0.35CoO2 1.3H2O，具有-CoO2-H2O-Na-H2O-CoO2-H2O-Na-H2O-層狀結(jié)構(gòu)；在以“CoO2”為最簡式表示的二維結(jié)構(gòu)中，鈷原子和氧原子呈周期性排列，鈷原子被4個氧原子包圍，Co-O鍵等長。61 鈷原子的平均氧化態(tài)為 。 62 以 代表氧原子，以 代表鈷原子，畫出CoO2層的結(jié)構(gòu)，用粗線畫出兩種二維晶胞?？少Y參考的范例是：石墨的二維晶胞是下圖中用粗線圍攏的平行四邊形。 6

2、3 據(jù)報道，該晶體是以Na0.7CoO2為起始物，先跟溴反應(yīng)，然后用水洗滌而得到的。寫出起始物和溴的反應(yīng)方程式。（2001）第5題（5分）今年3月發(fā)現(xiàn)硼化鎂在39K呈超導(dǎo)性，可能是人類對超導(dǎo)認識的新里程碑。在硼化鎂晶體的理想模型中，鎂原子和硼原子是分層排布的，像維夫餅干，一層鎂一層硼地相間，圖51是該晶體微觀空間中取出的部分原子沿C軸方向的投影，白球是鎂原子投影，黑球是硼原子投影，圖中的硼原子和鎂原子投影在同一平面上。51 由圖51可確定硼化鎂的化學(xué)式為： 。52 在圖5l右邊的方框里畫出硼化鎂的一個晶胞的透視圖，標(biāo)出該晶胞內(nèi)面、棱、頂角上可能存在的所有硼原子和鎂原子（鎂原子用大白球，硼原子用

3、小黑球表示）。abc，c軸向上圖51硼化鎂的晶體結(jié)構(gòu)示意圖（2004）第6題（6分）最近發(fā)現(xiàn)，只含鎂、鎳和碳三種元素的晶體竟然也具有超導(dǎo)性。鑒于這三種元素都是常見元素，從而引起廣泛關(guān)注。該晶體的結(jié)構(gòu)可看作由鎂原子和鎳原子在一起進行(面心)立方最密堆積(ccp)，它們的排列有序，沒有相互代換的現(xiàn)象（即沒有平均原子或統(tǒng)計原子），它們構(gòu)成兩種八面體空隙，一種由鎳原子構(gòu)成，另一種由鎳原子和鎂原子一起構(gòu)成，兩種八面體的數(shù)量比是1 : 3，碳原子只填充在鎳原子構(gòu)成的八面體空隙中。61 畫出該新型超導(dǎo)材料的一個晶胞（碳原子用小球，鎳原子用大球，鎂原子用大球）。62 寫出該新型超導(dǎo)材料的化學(xué)式。（2005）第

4、2題（12分）為紀念1905年愛因斯坦連續(xù)發(fā)表6篇論文導(dǎo)致物理學(xué)大變革100周年，今年被定為國際物理年。本題涉及的“熱電效應(yīng)”機理也是愛因斯坦首先闡釋的，即他提出的被后人稱為“愛因斯坦振蕩器”的獨立振蕩原子與溫度關(guān)系的模型。 2-1 左上圖是熱電效應(yīng)之一的圖解。給出圖中所有英文單詞（或詞組）及物理學(xué)符號的意義，并為此圖寫一篇不超過200字（包括標(biāo)點符號等）的說明文。input 輸入 hot 熱（端） cold 冷（端） heat flow 熱流I 電流強度 n n型半導(dǎo)體 p p型半導(dǎo)體 i+ 正電流 (各0.25分)向熱電材料構(gòu)成的半導(dǎo)體的n-p結(jié)的遠端輸入外電流，半導(dǎo)體發(fā)生空穴導(dǎo)電，電流流

5、經(jīng)n-p結(jié)時發(fā)生復(fù)合，外電流輸入的能量轉(zhuǎn)化為熱流，使n-p結(jié)的溫度越來越低，而其遠端的溫度越來越高，即有類似冰箱制冷的效應(yīng)。 (4分)2-2 右上圖是化學(xué)家合成的能實現(xiàn)熱電效應(yīng)的一種晶體的晶胞模型。圖中的大原子是稀土原子，如鑭；小原子是周期系第五主族元素，如銻；中等大小的原子是周期系VIII 族元素，如鐵。按如上結(jié)構(gòu)圖寫出這種熱電晶體的化學(xué)式。給出計算過程。提示：晶胞的6個面的原子數(shù)相同。設(shè)晶體中銻的氧化態(tài)為1，鑭的氧化態(tài)為+3，問：鐵的平均氧化態(tài)多大？ （2005備用）第2題（12分）鋰電池由于其安全可靠的性能, 體積小、質(zhì)量輕、高效能及可逆等卓越品質(zhì)被廣泛應(yīng)用于移動電話、筆記本電腦、數(shù)碼相

6、機等便攜式電子器材中。 下圖為鋰電池工作原理圖, 陰極材料由LiMO2 (M=Co, Ni, V, Mn)構(gòu)成, 陽極材料由石墨構(gòu)成, 陰、陽兩極之間用半透膜隔開, 充電時鋰離子由陰極向陽極遷移, 放電時則相反, 電池可表示為:(-)Cn/LiClO4/LiMO2(+)2-1 寫出鋰電池充放電時的可逆電極反應(yīng)。 2-2 根據(jù)上圖所示的LiMO2的尖晶石結(jié)構(gòu), 寫出氧的堆積方式, 并指出Li和M占據(jù)何種空隙, 畫出以氧為頂點的一個晶胞。 2-3 鋰離子在陽極與石墨形成固體混合物, 試推測并畫出鋰離子嵌入石墨的可能結(jié)構(gòu)。2-4 早期的陽極材料用的是鋰金屬, 試指出鋰金屬作陽極材料的不足, 并說明還

7、可以用什么物質(zhì)替代石墨作陽極材料?（2005備用）第3題（10分）固體發(fā)光材料是一種能將激發(fā)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽獾墓腆w物質(zhì)。在基質(zhì)中摻入雜質(zhì), 含量可達千分之幾或百分之幾, 可調(diào)整發(fā)光效率、余輝及發(fā)光光譜。如在剛玉Al2O3基質(zhì)中摻入0.051.0%的Cr3+及在Y2O3基質(zhì)中摻入Eu3+等均可制成固體發(fā)光材料。3-1 推測Al2O3基質(zhì)中摻入Cr3+的發(fā)光原理。Al3+和O2-是滿殼層電子結(jié)構(gòu), 能隙大, 電子不易激發(fā), 故無色; （2分）摻入的Cr3+是過渡金屬, 具有3d電子, 在晶體中置換部分Al3+形成較低的激發(fā)態(tài)能級, 兩個強吸收帶分別吸收黃綠色及藍色的光, 只有紅光透過, 因而摻C

8、r3+的剛玉呈絢麗的紅色, 稱為紅寶石。 （3分）3-2 Y2O3屬立方晶系, 將Y2O3的立方晶胞分為8個小立方體, Y在小立方體的面心和頂點, O位于小立方體內(nèi)的四面體空隙, 畫出這樣四個小立方體, 指出Y和O的配位數(shù)。 （4分）Y的O的配位數(shù)為6, O的Y配位數(shù)為4。 （1分）二 晶體綜合（2000）4理想的宏觀單一晶體呈規(guī)則的多面體外形。多面體的面叫晶面。今有一枚MgO單晶如附圖1所示。它有6個八角形晶面和8個正三角形晶面。宏觀晶體的晶面是與微觀晶胞中一定取向的截面對應(yīng)的。已知MgO的晶體結(jié)構(gòu)屬NaCl型。它的單晶的八角形面對應(yīng)于它的晶胞的面。請指出排列在正三角形晶面上的原子（用元素符

9、號表示原子，至少畫出6個原子，并用直線把這些原子連起，以顯示它們的幾何關(guān)系）。（6分）（2000）5最近發(fā)現(xiàn)一種由鈦原子和碳原子構(gòu)成的氣態(tài)團簇分子，如右圖所示，頂角和面心的原子是鈦原子，棱的中心和體心的原子是碳原子，它的化學(xué)式是_。（2001）第11題（10分）研究離子晶體，?？疾煲砸粋€離子為中心時，其周圍不同距離的離子對它的吸引或排斥的靜電作用力。設(shè)氯化鈉晶體中鈉離子跟離它最近的氯離子之間的距離為d，以鈉離子為中心，則：111 第二層離子有 個，離中心離子的距離為 d，它們是 離子。112 已知在晶體中Na離子的半徑為116pm，Cl離子的半徑為167pm，它們在晶體中是緊密接觸的。求離子占

10、據(jù)整個晶體空間的百分數(shù)。113 納米材料的表面原子占總原子數(shù)的比例極大，這是它的許多特殊性質(zhì)的原因，假設(shè)某氯化鈉納米顆粒的大小和形狀恰等于氯化鈉晶胞的大小和形狀，求這種納米顆粒的表面原子占總原子數(shù)的百分比。114 假設(shè)某氯化鈉顆粒形狀為立方體，邊長為氯化鈉晶胞邊長的10倍，試估算表面原子占總原子數(shù)的百分比。（2003）第9題（6分） 釩是我國豐產(chǎn)元素，儲量占全球11，居第四位。在光纖通訊系統(tǒng)中，光纖將信息導(dǎo)入離光源1km外的用戶就需用5片釩酸釔晶體（釔是第39號元素）。我國福州是全球釩酸釔晶體主要供應(yīng)地，每年出口幾十萬片釩酸釔晶體，年創(chuàng)匯近千萬美元（1999年）。釩酸釔是四方晶體，晶胞參數(shù) a

11、 = 712 pm, c = 629 pm,密度d = 4.22 g/cm3，含釩25，求釩酸釔的化學(xué)式以及在一個晶胞中有幾個原子。給出計算過程。 （2004）第13題（9分）88.1克某過渡金屬元素M同134.4升（已換算成標(biāo)準狀況）一氧化碳完全反應(yīng)生成反磁性四配位絡(luò)合物。該配合物在一定條件下跟氧反應(yīng)生成與NaCl屬同一晶型的氧化物。131 推斷該金屬是什么；132 在一定溫度下MO可在三氧化二鋁表面自發(fā)地分散并形成“單分子層”。理論上可以計算單層分散量，實驗上亦能測定。(a)說明MO在三氧化二鋁表面能自發(fā)分散的主要原因。(b) 三氧化二鋁表面上鋁離子的配位是不飽和的。MO中的氧離子在三氧化

12、二鋁表面上形成密置單層。畫出此模型的圖形；計算MO在三氧化二鋁(比表面為178 m2/g)表面上的最大單層分散量（g/m2）(氧離子的半徑為140 pm)。 （2005）第8題（12分） LiCl和KCl同屬NaCl型晶體，其熔點分別為614和776。Li+、K+和Cl-的半徑分別為76pm、133pm和181pm。在電解熔鹽LiCl以制取金屬鋰的生產(chǎn)工藝中，加入適量的KCl晶體，可使電解槽溫度下降至400，從而使生產(chǎn)條件得以改善。8-1 簡要說明加入熔點高的KCl反而使電解溫度大大下降的原因； 8-2 有人認為，LiCl和KCl可形成固溶體（并畫出了“固溶體的晶胞”）。但實驗表明，液相LiC

13、l和KCl能以任意比例混溶而它們的固相完全不混溶（即不能生成固溶體?。Ｕ埥忉屧诠滔嘀型耆换烊艿闹饕?。8-3 寫出計算LiCl和KCl兩種晶體密度之比的表達式(須包含離子半徑的符號)； 8-4 在KCl晶體中，K+離子占據(jù)由Cl- 離子圍成的八面體空隙，計算相距最近的八面體空隙中心之間的距離。 8-5 實驗證明，即使產(chǎn)生了陽離子空位，KCl晶體在室溫下也不導(dǎo)電。請通過計算加以說明。第 8 題 （9分） 超硬材料氮化鉑是近年來的一個研究熱點。它是在高溫、超高壓條件下合成的（50GPa、2000K）。由于相對于鉑，氮原子的電子太少，衍射強度太弱，單靠X-射線衍射實驗難以確定氮化鉑晶體中氮原子

14、數(shù)和原子坐標(biāo)，2004年以來，先后提出過氮化鉑的晶體結(jié)構(gòu)有閃鋅礦型、巖鹽型（NaCl）和螢石型，2006年4月11日又有人認為氮化鉑的晶胞如下圖所示（圖中的白球表示氮原子，為便于觀察，該圖省略了一些氮原子）。結(jié)構(gòu)分析證實，氮是四配位的，而鉑是六配位的；PtN鍵長均為209.6pm，NN鍵長均為142.0 pm（對比：N2分子的鍵長為110.0pm）。 備用圖8-1 氮化鉑的上述四種立方晶體在結(jié)構(gòu)上有什么共同點？ 鉑原子面心立方最密堆積。 （2分）8-2 分別給出上述四種氮化鉑結(jié)構(gòu)的化學(xué)式。 依次為PtN、PtN、PtN2、PtN2 （2分）8-3 試在圖上挑選一個氮原子，不添加原子，用粗線畫出所選氮原子的配位多面體。 （3分） 8-4請在本題的附圖上添加六個氮原子（添加的氮請盡可能靠前）。（2分）第11題（11分） 磷化硼是一種受到高度關(guān)注的耐磨涂料，它可用作金屬的表面保護層。磷化硼可由三溴化硼和三溴化磷在氫氣中高溫反應(yīng)合成。11-1.寫出合成磷化硼的化學(xué)反應(yīng)方程式。 BBr3PBr33H2BP6HBr （1分）11-2.分別畫出三溴化硼分子和三溴化磷分子的結(jié)構(gòu)。 (畫不畫磷上的