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