全国高中学生化学竞赛江苏赛区夏令营选拔赛试题分类 原子分子晶体结构.docx

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全国高中学生化学竞赛江苏赛区夏令营选拔赛试题分类原子分子晶体结构

2002~2008年全国高中学生化学竞赛（江苏省赛区）夏令营选拔赛试题分类

原子、分子结构

（2002年）1．（12分）

⑴如果已经发现167号元素A，若已知的原子结构规律不变，167号元素应是第周期、第族元素；可能的最高氧化态为；氢化物的化学式为。

⑵某一放射性物质衰变20％需15天，该物质的半衰期是。

⑶化合物

分子中有种化学环境不同的氢原子。

如果用氯取代分子中的氢原子，生成的一氯代物可能有种。

⑷硅与碳为同族元素，呈四价。

然而，与碳化合物相比，硅化合物的数量要少得多。

碳易于形成双键，硅则不易形成双键。

但据美国《科学》杂志2000年报道，已合成了分子中既有Si－Si单键，又有Si=Si双键的化合物X。

X的分子式为Si5H6，红外光谱和核磁共振表明X分子中氢原子的化学环境有2种，则X的结构式是：

。

（2002年）2．（13分）

⑴磷和氢能组成一系列的氢化物，如PH3，P2H4，P12H16等。

其中最重要的是PH3。

PH3称为膦，它是一种无色剧毒的有类似大蒜臭味的气体。

它可由NaOH和白磷反应来制备，其制备反应的化学方程式为，P2H4的沸点比PH3（填“高”或“低”），原因是。

AsH3又称胂，试写出由As2O3制备胂的反应方程式，胂的汽化热比膦（填“大”或“小”）。

⑵①根据VSEPR理论，SCl3+和ICl4－的空间构型分别是和，S和I分别以_______和杂化轨道同Cl形成共价键。

②SCl3+和PCl3是等电子体，其S－Cl键键长（填>、＝或<）P－Cl键键长，原因

是。

（2003年）第2题（共8分）

⑴根据杂化轨道理论，下列离子或分子：

NH3、NF3、NO2+中氮分别采用、、__________杂化轨道同相应的键合原子成键。

其中NH3的键角（填“大于”或“小于”）NF3的键角的原因是。

⑵最近，德国科学家在医学杂志《柳叶刀》上发表文章，他们研究发现一种名为甘草甜素的物质可以有效抑制非典病毒的增殖，有望用其研制出治疗非典的特效药。

此前医学家已用甘草甜素作为有效成分开发出药物，治疗丙肝与艾滋病等，并取得了一定效果。

甘草甜素（甘草素）是甘草的根和茎中所含的一种五环三萜皂苷，其结构如图1所示：

甘草甜素的（A）苷键构型为，将其水解可得到一分子的甘草次酸（如图2）和两分子的（填名称），其结构为：

。

（2003年）第4题（共6分）

世界各国科学家，从关注人类生存质量角度出发，将保护地球自然生态环境研究作为重大任务之一。

并对与之相关的宇宙空间的复杂体系如太阳系进行了初步研究。

结果发现太阳是一个巨大能源。

它时刻都在向太空发射大量能量，其能量来源就是太阳时刻不停地进行着的链式聚变反应。

在那里，氢原子核在极高温度下发生聚变反应。

这种反应放出的能量，一方面用以维持反应必需的高温，另一方面则向太空辐射出能量。

其中一种重要的聚变过程是碳一氮循环。

这一循环是由一系列由碳－氮作媒介的反应组成的，并按下列步骤进行：

①

②

③

④

⑤

⑥

上述过程，放出的净能量为25.7MeV。

每消耗1kg

H约产生6.2×1014J的能量。

核聚变反应是太阳能够在几十亿年内稳定地发光释能的主要原因。

⑴在上述过程中x=，y=；x′=，y′=；

=，

（均填数值）。

⑵写出与净能量产生对应的反应方程式：

。

⑶在反应中碳原子的作用是。

（2004年）第1题（共8分）

⑴越来越多的事实表明：

在环境与生物体系中，元素的毒性、生物可给性、迁移性和再迁移性不是取决于元素的总量，而是与该元素的化学形态密切相关。

例如，在天然水正常pH下，铝处于_________态，对鱼类是无毒的；但是，若天然水被酸雨酸化，铝则转化为可溶性有毒形态，会造成鱼类的大量死亡。

再如，铝离子能穿过血脑屏障进入人脑组织，引起痴呆等严重后果，而配合态的铝，如处于形态时就没有这种危险。

⑵在元素周期表第4、第5周期中成单电子数最多的过渡元素的电子构型分别为和

；元素名称是和。

依据现代原子结构理论，请你推测，当出现5g电子后，成单电子最多的元素可能的价层电子构型为，可能是元素。

（2004年）第12题（共8分）

在元素周期表中，位于金属锰（Mn）之下的是锝（Tc）和铼（Re）。

铼是1925年由W.Noddack等人发现的，并以莱茵河的名字给她取名为铼。

高铼酸的氧化性比高锰酸弱的多，用稀HNO3氧化Re3+即可得之。

⑴在乙二铵水溶液中，用金属钾K与KReO4反应可得到无色化合物A，已知该化合物含K28.59％，含Re68.09％，则A的化学式为；

反应的化学方程式为。

⑵你认为化合物A是顺磁性还是抗磁性的?

为什么?

⑶在A的阴离子结构中，Re处于中心位置，另一原子L与之配位，L有两种不同的位置，其比例关系为1∶2，试画出该阴离子的草图。

核磁共振（NMR）实验结果却只显示了一种L粒子的信号，试简要解释其原因。

（2005年）第5题（共12分）

光合作用是绿色植物和其他自养型生物利用光能由简单化合物合成高能复杂分子的过程。

光合作用中叶绿素分子与特殊的酶分子受体（MS）相结合，发生一系列氧化还原反应。

科学家们发现光合作用还存在许多变化形式，如有些细菌可用H2S代替H2O进行光合作用生成结构与性质完全相似的产物。

我国科学家早在1946年就发现铀吸收中子后可发生核裂变分裂成较小的碎片。

如以一个慢中子轰击

发生核裂变时，能产生两种核素72X、

和若干快中子。

快中子再与核素72X反应可生成

，继而生成以上MS中金属M的一种核素。

M是应用最广泛的金属之一，在高温高压下与CO作用生成淡黄色液体A（A在高温下可分解为M和CO）。

含有M的一种深红色化合物晶体B具有顺磁性，在碱性溶液中B能把Cr（Ⅲ）氧化为CrO42-，而本身被还原成C。

溶液中C可被氯气氧化成B。

固体C在高温下可分解，其产物为碳化物D，剧毒的钾盐E和化学惰性气体F。

A继续与CO作用可形成满足18电子规则的金属有机化合物M2（CO）9。

（18电子规则指过渡金属有机化合物中，金属的价电子和配体提供或共享的电子总数等于18）。

⑴M的元素符号为；B的化学式为。

⑵写出上述所有核化学反应方程式。

⑶写出B将Cr（Ⅲ）氧化为CrO42-的离子方程式。

⑷H2S代替H2O进行光合作用的主要产物是，该反应能够发生的主要原因是：

。

⑸指出M2（CO）9中共有几种不同的成键方式，画出M2（CO）9的结构式。

（2006年）第1题（9分）

1-1元素周期表是20世纪科学技术发展的重要理论依据之一。

假设NH4+是“元素”NH4的阳离子，则“元素”NH4在周期表中的位置应该是；“元素”NH4的单质常温常压下应为______（填“高”或“低”）熔点（填“固”、“液”或“气”）体，（填“能”或“不能”）导电；NH4的碳酸盐应（填“易”或“不易”）溶于水。

1-2放射性元素的发现19世纪末20世纪初物理学发生巨大变革的基础。

最早发现的具有放射性的元素是铀，铀也是核电厂的燃料。

是自然界存在的易于发生裂变的唯一核素。

吸收一个中子发生核裂变可得到

和

，或

和

等。

请写出上述核反应方程式：

1-3利用核能把水分解，制出氢气，是目前许多国家正在研究的课题。

下图是国外正在研究中的一种流程（碘—硫法），其中用了过量的碘。

请写出反应①②③的化学方程式并注明条件：

反应①______________________________________

反应②_______________________________________

反应③______________________________________

上述流程中循环使用的物质是

（2007年）第1题（12分）

1-1根据原子结构理论可以预测：

第八周期将包括______种元素；原子核外出现第一个5g电子的原子序数是______。

美、俄两国科学家在2006年10月号的《物理评论》上宣称，他们发现了116号元素。

根据核外电子排布的规律，116号元素的价电子构型为___________，它可能与元素____________的化学性质最相似。

1-2多氮化合物均为潜在的高能量密度材料（HEDM），HEDM可用作火箭推进剂及爆炸物。

1999年K.O.Christe及其同事成功合成了第一个N5+的化合物N5+AsF6-，它能猛烈的爆炸。

光谱数据及量子力学计算结果均表明，在N5+的各种异构体中，V型结构最为稳定，它有两个较短的末端键和两个较长的中心键。

⑴请写出V型结构的N5+的Lewis共振式。

________________________________________________________________________

⑵根据杂化轨道理论，指出每个氮原子的杂化类型。

__________________________________________________________________________

⑶中心键的N-N键级为______。

1-32008北京奥运会和2010上海世博会将大力推广资源节约型、环境友好型的生物降解塑料包装和餐饮具。

目前，我国已实现规模化生产的应用于食品餐饮行业的可降解材料主要有：

①天然高分子淀粉与聚乙烯或聚酯的共混/共聚物、②聚乳酸（PLA）、③农业副产品基可成型共混物（如小麦秆，谷壳等）、④聚己内酯、⑤聚乙烯醇。

其中，以小分子单体为原料合成的，能被自然界中阳光、水、微生物等完全生物降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，对保护环境非常有利的共有______种，它们分别是

____________（填代号）。

（2008年）第1题（6分）

1-1臭氧是大气中一种微量成分，臭氧层主要分布在距地面15~35km处，它吸收了99%以上来自太阳的紫外线，保护了人类和生物免遭紫外线辐射的伤害。

臭氧分子是否有极性？

___________，请写出所有臭氧分子的Lewis结构式：

______________________________________。

1-2美国物理化学家LipscombW由于对硼烷和碳硼烷的研究成就卓越，而荣获1976年诺贝尔化学奖。

硼的最简单氢化物是B2H6而不是BH3，B2H6中B的杂化形式是_____________，但硼的卤化物却能以BX3形式存在，BF3、BCl3、BBr3Lweis酸性由小到大顺序是__________________________对此顺序的解释是：

________________________________________________________________。

参考答案：

1．（共12分）

⑴8ⅦA+7HA（每空1分，共4分）

⑵47天（2分）

⑶4（2分）7（2分）

⑷

2．（共13分）

⑴P4+3NaOH+3H2O

PH3↑+3NaH2PO2（2分）高（1分）

P2H4的相对分子质量大，分子间作用力比较大（1分）

As2O3+6Zn+6H2SO4

2AsH3↑+6ZnSO4+3H2O（2分）大（1分）

⑵①三角锥（1分）平面正方形（1分）sp3（1分）sp3d2（1分）

②<（1分）S有较大核电荷，处于较高氧化态（1分）

2．（共8分）

⑴sp3sp3sp

大于氟的电负性大于氢，因此用于N－F成键的电子对更偏向氟（或离氮原子核较远），氮周围电子密度减小（或N－F成键电子对间的“距离”较远），斥力较小，因而键角较小。

4.（共6分）

⑴13，614，715，7………………………（3分）

⑵

…………（2分）

⑶催化剂…………………………………………（1分）

1．（共8分）

⑴聚合的Al（OH）3胶体[Al（OH）2]+AlF4－（3分）

⑵[Ar]3d54s1[Kr]4d55s1铬钼5g98s1128（5分）

12．（共8分）

⑴K2ReH9（2分）18K+KReO4+13H2O

K2ReH9+17KOH（2分）

⑵抗磁性，Re化合价+7，所有的电子参与成键（2分）

⑶

氢的各种位置之间有迅速的交换作用（2分）

5．（共12分）

⑴FeK3[Fe（CN）6]（2分，各1分）

⑵

；

（3分，各1分）

⑶

（2分）

⑷碳水化合物（或葡萄糖）、硫（1分）

（a）O和S是同族元素（b）O2和S2的价电子数为12，可视为等电子体（c）O2和S2中均有一个σ键，2个2中心3电子π键（

键）（1分，答对任意1点即可）

⑸4种（1分）

（2分）

第1题（9分）

1-1第三周期第IA族（1分）低固能易（每空0.5分，共2分）

1-2

（各1分,共2分）

1-3①SO2+I2+2H2O

2HI+H2SO4（1分）

②2H2SO4

2SO2+O2+2H2O（1分）

③2HI

H2I2（1分）

SO2、I2（1分，错任一个即0分）

1-1501217s27p4Po（钋）（每空1分，共4分）

1-2

⑴

（2分）（其他合理结构亦可）

⑵中心氮原子为sp3和sp2杂化，其余为sp杂化（末端氮可不杂化）（2分）

⑶

（1分）

1-33（1分）②，④，⑤（2分）（写出两种得1分）

第1题（6分）

1-1有（1分）（2分）

1-2sp3（1分）；BF3

（其他合理结构亦可）。

晶体结构

（2002年）3．（5分）

石墨晶体由如图

（1）所示的C原子平面层堆叠形成。

有一种常见的2H型石墨以二层重复的堆叠方式构成，即若以A、B分别表示沿垂直于平面层方向（C方向）堆叠的两个不同层次，它的堆叠方式为ABAB……。

图

（2）为AB两层的堆叠方式，O和●分别表示A层和B层的C原子。

⑴在图

（2）中标明两个晶胞参数a和b。

⑵画出2H型石墨晶胞的立体示意图，并指出晶胞类型。

（2002年）8．（9分）

有一离子晶体经测定属立方晶系，晶胞参数a＝4.00Å（1Å=10－8cm），晶胞的顶点位置为Mg2+，体心位置为K+，所有棱边中点为F－。

⑴该晶体的化学组成是；

⑵晶胞类型是；

⑶Mg2+的F－配位数是，K+的F－配位数是；

⑷该晶体的理论密度是g·cm－3。

⑸设晶体中正离子和负离子互相接触，已知F－的离子半径为1.33Å，试估计Mg2+的离子半径是Å，K+的离子半径是Å。

（2002年）11．（4分）

NiO晶体为NaCl型结构，将它在氧气中加热，部分Ni2+被氧化为Ni3+，晶体结构产生镍离子缺位的缺陷，其组成成为NixO（x<1），但晶体仍保持电中性。

经测定NixO的立方晶胞参数a=4.157Å，密度为6.47g·cm－3。

⑴x的值（精确到两位有效数字）为；写出标明Ni的价态的NixO晶体的化学式。

⑵在NixO晶体中Ni占据空隙，占有率是。

（2003年）

第6题（共8分）

⑴两种铜溴配合物晶体中的一维聚合链结构的投影图（其中部分原子给出标记）如下。

①分别指出两种结构的结构基元由几个Cu原子和几个Br原子组成：

图⑴为个Cu原子，Br原子；

图⑵为个Cu原子，个Br原子。

②用笔在图中圈出相应的一结构基元。

⑵图⑶是由氯苯分子构成的平面点阵结构。

①在图中标出一个正当单位来，并标明两个基本向量

和

；

②指出正当单位的组成（内容）；

③指出这种平面格子的正当单位的形式。

（2003年）第12题（共9分）

甲烷水合物（nCH4·46H2O）是一种具有重要经济价值的化合物，在海洋深处蕴藏量非常大，是未来的重要能源之一。

它的晶体结构可看作由五角十二面体[512]和十四面体[51262]共面连接堆积形成。

在立方晶胞中，[512]的中心处在顶角和体心位置；[51262]中心位置坐标为（0，1/4，1/2）、（0，3/4，1/2）、（1/2，0，1/4）、（1/2，0，3/4）、（1/4，1/2，0）、（3/4，1/2，0）共计6个。

它们彼此共用六角形面连成柱体，再和五角十二面体共面连接。

右图所示为甲烷水合物中水骨架的结构。

⑴CH4分子由于体积较小，可包合在这两种多面体中，若全部充满时，确定晶胞的组成（即n值）。

⑵已知该晶胞参数a=1180pm，计算1m3甲烷水合物晶体中可释放CH4的体积（标准状况下）。

⑶有的文献中报导开采1m3的甲烷水合物晶体可得到164m3的甲烷气体，请将此文献值与

（2）的计算结果比较，并给出合理的解释。

（2004年）第5题（共10分）

长期以来人们一直认为金刚石是最硬的物质，但这种神话现在正在被打破。

1990年美国伯克利大学的A．Y．Liu和M．L．Cohen在国际著名期刊上发表论文，在理论上预言了一种自然界并不存在的物质β－C3N4，理论计算表明，这种C3N4物质比金刚石的硬度还大，不仅如此，这种物质还可用作蓝紫激光材料，并有可能是一种性能优异的非线性光学材料。

这篇论文发表以后，在世界科学领域引起了很大的轰动，并引发了材料界争相合成β－C3N4的热潮，虽然大块的β－C3N4晶体至今尚未合成出来，但含有β－C3N4晶粒的薄膜材料已经制备成功并验证了理论预测的正确性，这比材料本身更具重大意义。

其晶体结构见图1和图2。

⑴请分析β－C3N4晶体中，C原子和N原子的杂化类型以及它们在晶体中的成键情况：

；

⑵请在图1中画出β－C3N4的一个结构基元，该结构基元包括个碳原子和个氮原子；

⑶实验测试表明，β－C3N4晶体属于六方晶系，晶胞结构见图2（图示原子都包含在晶胞内），晶胞参数a=0.64nm，c=0.24nm，请列式计算其晶体密度。

ρ=；

⑷试简要分析β－C3N4比金刚石硬度大的原因（已知金刚石的密度为3.51g·cm－3）。

（2004年）第11题（共9分）

BaTiO3是一种重要的无机功能材料，工业上常用以下方法制得：

将BaCl2、TiCl4、H2O和H2C2O4混合反应后，经洗涤、干燥后得一组成为Ba30.50％、Ti10.70％、C10.66％、H1.81％的白色粉末A，进一步热分解A即可得BaTiO3。

用热分析仪测定A的热解过程，得下图所示的质量—温度关系曲线：

图中400K、600K和900K时对应的样品的质量分别为8.38mg、5.68mg和5.19mg

试回答：

⑴A的化学式为；

⑵在600K时样品的组成为；

⑶晶体结构分析表明，BaTiO3为立方晶体，晶胞参数a=7.031Å，一个晶胞中含有一个BaTiO3‘‘分子”。

画出BaTiO3的晶胞结构示意图，分别指出Ba2+、Ti（IV）、O2－三种离子所处的位置及其配位情况。

（2005年）第6题（共4分）

铌酸锂（LiNbO3）是性能优异的非线性光学晶体材料，有多种性能，用途广泛，在滤波器、光波导、表面声波、传感器、Q－开关以及激光倍频等领域都有重要的应用价值，因而是一种重要的国防、工业、科研和民用晶体材料。

铌酸锂的优异性能与它的晶体结构是密不可分的，单晶X－射线衍射测试表明，铌酸锂属三方晶系，晶胞参数a=b=5.148Å，c=13.863Å；密度为4.64g/cm3沿着c轴方向的投影见下图，其中Li和Nb原子投影重合，它们处于氧原子投影的六边形中心。

⑴请在下图表示的二维晶体结构上画出一个结构基元。

⑵假设下图是某新型晶体材料LiNbA2沿c轴的投影图（A原子取代氧的位置），在这种晶体中，沿a方向两层Nb原子之间夹着两层A原子和一层Li原子。

请写出这种新型晶体材料的晶胞类型，并画出它的一个三维晶胞的透视图。

（2005年）第12题（共11分）

2005年1月美国科学家在Science上发表论文，宣布发现了Al的超原子结构，并预言其他金属原子也可能存在类似的结构，这是一项将对化学、物理以及材料领域产生重大影响的发现，引起了科学界的广泛关注。

这种超原子是在Al的碘化物中发现的，以13个Al原子或14个Al原子形成Al13或Al14超原子结构，量子化学计算结果表明，Al13形成12个Al在表面，1个Al在中心的三角二十面体结构，Al14可以看作是一个Al原子跟Al13面上的一个三角形的3个Al形成Al—Al键而获得的。

文章还指出，All3和All4超原子都是具有40个价电子时最稳定。

⑴根据以上信息可预测Al13和Al14的稳定化合价态分别为和。

A114应具有元素周期表中类化学元素的性质，理由是：

。

⑵对Al13和A114的Al—Al键长的测定十分困难，而理论计算表明，Al13，和Al14中的Al—Al键长与金属铝的Al—Al键长相当，已知金属铝的晶体结构采取面心立方最密堆积，密度约为2.7g/cm3，请估算Al13和Al14：

中Al—Al的键长。

。

⑶Al13三角二十面体中有多少个四面体空隙，假设为正四面体空隙，如果在其中搀杂其他原子，请通过计算估计可搀杂原子的半径最大为多少?

（2006年）第9题（7分）

1987年，研究者制出一种高温超导材料钆钡铜氧，其近似化学式为YBa2Cu3O7-（根据正负价平衡，实际上O的个数在6、7之间。

故写为7-或6+），其临界温度（Tc）达到92K。

20多年来，此类研究不断深入，2006年5月，有研究者称制得了Tc达150K的氧化物超导材料，图A为该超导材料的一个晶胞，其中四方锥和四边形的元素组成如图B所示，且四方锥的顶点和四边形的中心均落在晶胞的棱上。

仔细观察图，回答下列问题：

9-1研究表明这类超导体中都有金属-氧层，即晶胞中在c轴几乎同一高度上排列着金属原子和氧原子。

此晶胞中有个Cu-O层，

在Cu-O层中Cu的配位数是，O的配位数是。

9-2除了Cu-O层以外，此晶体中还有的金属-氧层是。

9-3该晶体的近似化学式为。

9-4研究还发现

（1）当该晶体中金属-氧层完全对称排列时，其临界温度只有87K。

（2）高温超导材料YBa2Cu3O7-中也有Cu-O层。

请据此提出研制新的高温超导材料的一个建议：

（2006年）第10题（9分）

锂离子电池、金属氢化物-镍电池（MH-Ni）、无水碱性锌-锰电池、燃料电池、太阳能电池等是21世纪理想的绿色环保电源。

其中液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正负电极的二次电池。

正极采用锂化合物LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，负极采用碳电极，充电后成为锂-碳层间化合物LixC6（0

10-1在电池放电时，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。

写出该电池的充