1998高中化学竞赛初赛有关晶体结构的试题及答案解析.docx
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1998高中化学竞赛初赛有关晶体结构的试题及答案解析
1998-2008年高中化学竞赛(初赛)有关晶体结构的试题及答案解析
2008第3题(8分)
X-射线衍射实验表明,某无水MgCl2晶体属三方晶系,呈层形结构,氯离子采取立方最密堆积(ccp),镁离子填满同层的八面体空隙;晶体沿垂直于氯离子密置层的投影图如下。
该晶体的六方晶胞的参数:
a=363.63pm,c=1766.63pm;p=2.53g·cm-3。
3-1以“
”表示空层,A、B、C表示Cl-离子层,a、b、c表示Mg2+离子层,给出三方层型结构的堆积方式。
3-2计算一个六方晶胞中“MgCl2”的单元数。
3-3假定将该晶体中所有八面体空隙皆填满Mg2+离子,将是哪种晶体结构类型?
第3题(10分)
3-1···AcBCbABaCA···(5分)
大写字母要体现出Cl-层作立方最密堆积的次序,镁离子与空层的交替排列必须正确,镁离子层与氯离子层之间的相对位置关系(大写字母与小写字母的相对关系)不要求。
必须表示出层型结构的完整周期,即至少写出包含6个大写字母、3个小写字母、3个空层的排列。
若只写对含4个大写字母的排列,如“···AcBCbA···”,得2.5分。
3-2(3分)
Z的表达式对,计算过程修约合理,结果正确(Z=3.00—3.02,指出单元数为整数3),得3分。
Z的表达式对,但结果错,只得1分。
3-3NaCl型或岩盐型(2分)
2007第1题(14分)
1-1EDTA是乙二胺四乙酸的英文名称的缩写,市售试剂是其二水合二钠盐。
(1)画出EDTA二钠盐水溶液中浓度最高的阴离子的结构简式。
(2分)
答
或
得2分,质子必须在氮原子上。
(2)Ca(EDTA)2-溶液可用于静脉点滴以排除体内的铅。
写出这个排铅反应的化学方程式(用Pb2+表示铅)。
Pb2++Ca(EDTA)2-=Ca2++Pb(EDTA)2-(1分)
(3)能否用EDTA二钠盐溶液代替Ca(EDTA)2-溶液排铅?
为什么?
不能。
若直接用EDTA二钠盐溶液,EDTA阴离子不仅和Pb2+反应,也和体内的Ca2+结合造成钙的流失。
(答案和原因各0.5分,共1分)
1-2氨和三氧化硫反应得到一种晶体,熔点205oC,不含结晶水。
晶体中的分子有一个三重旋转轴,有极性。
画出这种分子的结构式,标出正负极。
(2分)
硫氧键画成双键或画成S→O,氮硫键画成N→S,均不影响得分。
结构式1分,正负号1分。
答H3NSO3、H3N-SO3等不得分。
正确标出了正负号,如+H3NSO3-、+H3N-SO3-得1分。
其他符合题设条件(有三重轴,有极性)的结构,未正确标出正负极,得1分,正确标出正负极,得2分。
1-3Na2[Fe(CN)5(NO)]的磁矩为零,给出铁原子的氧化态。
Na2[Fe(CN)5(NO)]是鉴定S2-的试剂,二者反应得到紫色溶液,写出鉴定反应的离子方程式。
Fe(II)答II或+2也可(2分)
[Fe(CN)5(NO)]2-+S2-=[Fe(CN)5(NOS)]4-配合物电荷错误不得分(1分)
1-4CaSO4•2H2O微溶于水,但在HNO3(1molL-1)、HClO4(1molL-1)中可溶。
写出能够解释CaSO4在酸中溶解的反应方程式。
CaSO4+H+=Ca2++HSO4(1分)
写成2CaSO4+2HNO3=Ca(NO3)2+Ca(HSO4)2也得分。
高氯酸同。
答案若生成H2SO4不得分。
1-5取质量相等的2份PbSO4(难溶物)粉末,分别加入HNO3(3molL-1)和HClO4(3molL-1),充分混合,PbSO4在HNO3能全溶,而在HClO4中不能全溶。
简要解释PbSO4在HNO3中溶解的原因。
Pb2+与NO3-形成络离子(配离子或配合物)。
(1分)
写方程式也可,如PbSO4+H++NO3-=HSO4-+Pb(NO3)+。
若将络离子(配离子或配合物)写成Pb(NO3)2或Pb(NO3)3-也得分,但方程式须配平。
1-6X和Y在周期表中相邻。
CaCO3与X的单质高温反应,生成化合物B和一种气态氧化物;B与Y的单质反应生成化合物C和X的单质;B水解生成D;C水解生成E,E水解生成尿素。
确定B、C、D、E、X和Y。
B:
CaC2C:
CaCN2D:
C2H2或Ca(OH)2E:
NH2CN[C(NH)2也可]
X:
CY:
N
(各0.5分,共3分)
2007第5题(5分)1963年在格陵兰Ika峡湾发现一种水合碳酸钙矿物ikaite。
它形成于冷的海水中,温度达到8oC即分解为方解石和水。
1994年的文献指出:
该矿物晶体中的Ca2+离子被氧原子包围,其中2个氧原子来自同一个碳酸根离子,其余6个氧原子来自6个水分子。
它的单斜晶胞的参数为:
a=887pm,b=823pm,c=1102pm,β=110.2°,密度d=1.83gcm3,Z=4。
5-1通过计算得出这种晶体的化学式。
ikaite晶胞体积:
V=abcsinβ=(8.878.2311.0210-24cm3)sin110.2°=7.5510-22cm3(0.5分)
设晶胞中含有n个水分子,晶胞的质量:
m=4(100+18n)/NA(g)(0.5分)
晶体密度:
d=m/V=4(100+18n)/(6.0210237.5510-22)(gcm3)=1.83gcm-3
100+18n=208n=6(0.5分)
该晶体的化学式为CaCO36H2O(0.5分)
算出6个水分子,未写化学式,得1.5分。
5-2研究了这种晶体在加压下受热膨胀体积增大的情形,并与冰及钙离子配位数也是8的二水合石膏晶体(gypsum)作了对比,结果如下图所示(纵坐标为相对体积):
为什么选取冰和二水合石膏作对比?
实验结果说明什么?
Ikaite在冷水中形成,而且含有大量结晶水,分解温度又接近冰的熔点,可能与冰的结构有相似性,故选取冰作参比物;(0.5分)
石膏是带结晶水的钙的含氧酸盐,而且钙的配位数也是8,可能与ikaite结构相似,故选取石膏作参比物。
(0.5分)
实验结果说明ikaite的结构跟冰相似。
(1分)
实验结果,说明含水的摩尔分数越大膨胀越大,可以得0.5分。
5-3这种晶体属于哪种类型的晶体?
简述理由。
分子晶体。
(0.5分)
答混合型晶体不得分。
晶体分解温度接近冰的熔点,体积随温度的变化趋势也接近冰,可认为晶体中的化学微粒是CaCO36H2O,它们以分子间作用力(氢键和范德华力)构成晶体。
(0.5分)
2007第8题(9分)由烷基镁热分解制得镁的氢化物。
实验测定,该氢化物中氢的质量分数为7.6%,氢的密度为0.101gcm-3,镁和氢的核间距为194.8pm。
已知氢原子的共价半径为37pm,Mg2+的离子半径为72pm。
8-1写出该氢化物中氢的存在形式,并简述理由。
H(1分)
镁-氢间距离为194.8pm,Mg2+离子半径为72pm,则氢的半径为194.8pm-72pm=123pm。
此值远大于氢原子的共价半径,这说明H原子以H-离子的形式存在。
(1分)
8-2将上述氢化物与金属镍在一定条件下用球磨机研磨,可制得化学式为Mg2NiH4的化合物。
X-射线衍射分析表明,该化合物的立方晶胞的面心和顶点均被镍原子占据,所有镁原子的配位数都相等。
推断镁原子在Mg2NiH4晶胞中的位置(写出推理过程)。
Mg原子与Ni原子数之比为2:
1,故每个晶胞中含8个镁原子。
所有镁原子的配位数相等,它们只能填入由镍原子形成的四面体空隙。
(3分)
镁原子的位置用下列坐标参数表示也得3分:
14,14,14;14,14,34;34,34,14;34,34,34;
14,34,14;14,34,34;34,14,14;34,14,34。
坐标错一组,扣0.5分,不得负分。
其他答案不得分。
8-3实验测定,上述Mg2NiH4晶体的晶胞参数为646.5pm,计算该晶体中镁和镍的核间距。
已知镁和镍的原子半径分别为159.9pm和124.6pm。
镁镍间的距离为
(2分)
算式及答案皆正确(包括单位)得2分;算式对但结果错;只得1分;结果中数对但单位错,得1.5分。
用原子半径相加计算镁-镍间的距离,不得分。
8-4若以材料中氢的密度与液态氢密度之比定义储氢材料的储氢能力,计算Mg2NiH4的储氢能力(假定氢可全部放出;液氢的密度为0.0708gcm-3)。
储氢能力=晶体的密度×氢的质量分数÷液氢密度
(2分)
=1.40
=1.4
算法及结果皆正确得2分;算法(式)正确但结果错得1分;无过程不得分。
只有结果但无算式,不得分。
氢的原子量取1不取1.008,算出结果1.39,只得1.5分。
2006第8题(9分)超硬材料氮化铂是近年来的一个研究热点。
它是在高温、超高压条件下合成的(50GPa、2000K)。
由于相对于铂,氮原子的电子太少,衍射强度太弱,单靠X-射线衍射实验难以确定氮化铂晶体中氮原子数和原子坐标,2004年以来,先后提出过氮化铂的晶体结构有闪锌矿型、岩盐型(NaCl)和萤石型,2006年4月11日又有人认为氮化铂的晶胞如下图所示(图中的白球表示氮原子,为便于观察,该图省略了一些氮原子)。
结构分析证实,氮是四配位的,而铂是六配位的;Pt—N键长均为209.6pm,N—N键长均为142.0pm(对比:
N2分子的键长为110.0pm)。
备用图
8-1氮化铂的上述四种立方晶体在结构上有什么共同点?
铂原子面心立方最密堆积。
(2分)
8-2分别给出上述四种氮化铂结构的化学式。
依次为PtN、PtN、PtN2、PtN2(2分)
8-3试在图上挑选一个氮原子,不添加原子,用粗线画出所选氮原子的配位多面体。
(3分)
8-4请在本题的附图上添加六个氮原子(添加的氮请尽可能靠前)。
(2分)
2006第11题(11分)磷化硼是一种受到高度关注的耐磨涂料,它可用作金属的表面保护层。
磷化硼可由三溴化硼和三溴化磷在氢气中高温反应合成。
11-1.写出合成磷化硼的化学反应方程式。
BBr3+PBr3+3H2=BP+6HBr(1分)
11-2.分别画出三溴化硼分子和三溴化磷分子的结构。
(画不画磷上的孤对电子不影响得分)
平面三角形三角锥(2分)
11-3磷化硼晶体中磷原子作立方最密堆积,硼原子填入四面体空隙中。
画出磷化硼的正当晶胞示意图。
(注:
填入另外四个四面体空隙也可,但不能一层空一层填)(2分)
11-4已知磷化硼的晶胞参数a=478pm,计算晶体中硼原子和磷原子的核间距(dB-P)。
dB-P=
或dB-P=
(2分)
11-5画出磷化硼正当晶胞沿着体对角线方向的投影(用实线圆圈表示P原子的投影,用虚线圆圈表示B原子的投影)。
(4分)
2005第2题(12分)
为纪念190