胡波化学竞赛题库金属晶体.docx

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胡波化学竞赛题库金属晶体

中学化学竞赛试题资源库——金属晶体

A组

．不仅与金属的晶体结构有关，而且与金属原子本身的性质有关的是

A导电性B电热性C延展性D密度

．下列何种物质的导电性是由自由电子的运动所决定的

A熔融的食盐B饱和食盐水C石墨D铜

．金属晶体的特征是

A熔点都很高B熔点都很低

C都很硬D都有导电、导热、延展性

．下列物质中，熔点最高的是

熔点最低的是

A干冰B晶体硅C硝酸钾D金属钠

．下列各项中是以共价键结合而成的晶体是

A分子晶体B原子晶体C离子晶体D金属晶体

．含有阳离子而不含有阴离子的晶体是

A原子晶体B分子晶体C离子晶体D金属晶体

．金属晶体的形成是通过

A金属原子与自由电子之间的相互作用

B金属离子之间的相互作用

C自由电子之间的相互作用

D金属离子与自由电子之间的较强的相互作用

．下列各组中的两种固态物质熔化（或升华）时，克服的微粒间相互作用力属于同种类型的是

A碘和碘化钠B金刚石和重晶石

C冰醋酸和硬脂酸甘油酯D干冰和二氧化硅

．氮化铝（AlN）是一种熔点很高、硬度大、不导电、难溶于水和其他溶剂的晶体，将下列各组物质加热熔化或气化，所克服微粒间作用力与AlN克服微粒间的作用都相同的是

A水晶，金刚石B食盐，硫酸钾C碘，硫D石墨，硅

．在下列有关晶体的叙述中错误的是

A离子晶体中，一定存在离子键B原子晶体中，只存在共价键

C金属晶体的熔沸点均很高D稀有气体的原子能形成分子晶体

．下列说法正确的是

A离子晶体中可能含有共价键，但一定含有金属元素

B分子晶体中一定含有共价键

C离子晶体中一定不存在非极性键

D石英与晶体硅都是原子晶体

．X是核外电子数最少的元素，Y是地壳中含量最丰富的元素，Z在地壳中的含量仅次于Y，W可以形成自然界最硬的原子晶体。

下列叙述错误的是

AWX4是沼气的主要成分B固态X2Y是分子晶体

CZW是原子晶体DZY2的水溶液俗称“水玻璃”

．有关晶体的下列说法中正确的是

A晶体中分子间作用力越大，分子越稳定B原子晶体中共价键越强，熔点越高

C冰熔化时水分子中共价键发生断裂D氯化钠熔化时离子键未被破坏

．某物质的晶体内部一截面上原子的排布情况如右图所示，则该晶体的化学式可表示为

AA2BBABCAB2DA3B

．某固体仅有一种元素组成，其密度为5g/cm3，用X射线研究该固体的结果表明，在边长为1×10－7cm的立方体中仅有20个原子，则此元素的原子量接近

A32B65C120D150

．某晶体中，存在着A（位于八个顶点）、B（位于体心）、C（位于正六面体中的六个面上）三种元素的原子，其晶体结构中具有代表性的最小重复单位（晶胞）的排列方式如图所示：

则该晶体中A、B、C三种原子的个数比是

A8︰6︰1B1︰1︰1C1︰3︰1D2︰3︰1

．某物质的晶体中含A、B、C三种元素，其排列方式如图所示，晶体中A、B、C的原子个数之比依次为

A2︰1︰1B2︰3︰1

C2︰2︰1D1︰3︰3

．某物质由A、B、C三种元素组成，其晶体中微粒的排列方式如图所示：

该晶体的化学式是

AAB3C3BAB3CCA2B3CDA2B2C

．如图所示晶体中每个阳离子A或阴离子B均可被另一种离子以四面体形式包围着，则该晶体对应的化学式为

AABBA2BCABDA2B3

．石墨是层状晶体，每一层内，碳原子排成正六边形，许多个正六边形排列成平面状结构，如果将每对相邻原子间的化学键看成一个化学键，则石墨晶体每一层内碳原子数与C－C化学键数的比是

A2︰3B1︰3C1︰1D1︰2

．下列各物质的晶体中，与其中任意一个质点（原子或离子）存在直接强烈相互作用的质点数目表示正确的是

A氯化铯～8B水晶～4C晶体硅～6D碘晶体～2

．石墨晶体结构如右图所示：

每一层由无数个正六边形构成，则平均每一个正六边形所占有的碳原子数是

A6个B4个C3个D2个

．据报道国外有科学家用一束激光将置于铁室中石墨靶上的碳原子炸松，与此同时用一个射频电火花喷射氮气，此时碳、氮原子结合成碳氮化合物的薄膜。

据称，这种化合物比金刚石更坚硬，其原因可能是

A碳、氮原子构成网状晶体结构

B碳氮键比金刚石中的碳碳键更短

C碳、氮都是非金属元素，且位于同一期

D碳、氮的单质的化学性质均不活泼

．1999年美国《科学》杂志报道：

在40GPa高压下，用激光器加热到1800K，人们成功制得了原子晶体干冰，下列推断正确的是

A原子晶体干冰有很高的熔点、沸点，有很大的硬度

B原子晶体干冰易气化，可用作制冷材料

C原子晶体干冰硬度大，可用作耐磨材料

D每摩尔原子晶体干冰中含2molC—O键

．最近，美国LawreceLirermore国家实验室（LINL）的V·Lota·C·S·Yoo和H·cyrnn成功地在高压下将CO2转化具有类似SiO2结构的原子晶体，下列关于CO2的原子晶体说法，正确的是

A在一定条件下，CO2原子晶体转化为分子晶体是物理变化

BCO2的原子晶体和CO2分子晶体具有相同的物理性质和化学性质

C在CO2的原子晶体中，每一个C原子周围结合4个O原子，每一个O原于跟两个C原子相结合

DCO2的原子晶体和分子晶体互为同分异构体

．下面关于晶体的叙述中，错误的是

A金刚石为网状结构，由共价键形成的碳原子环中，最小环上有6个碳原子

B氯化钠晶体中，每个Na＋周围距离相等的Na＋共有6个

C氯化铯晶体中，每个Cs＋周围紧邻8个Cl－

D干冰晶体中，每个CO2分子周围紧邻12个CO2分子

．铁原子半径为1.26×10－8cm，质量为55.8μ（μ＝1.67×10－24g），则铁原子的体积（用cm3表示）为，铁原子的密度为（用g/cm3表示）。

铁原子密度比一块铁试样的密度大的原因是。

．如图：

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：

这个基本结构单元由个硼原子组成，键角是，共含有个B－B键。

B组

．下列各项所述的数字不是6的是

A在NaCl晶体中，与一个Na+最近的且距离相等的Cl－的个数

B在金刚石晶体中，最小的环上的碳原子个数

C在二氧化硅晶体中，最小的环上的原子个数

D在石墨晶体的片层结构中，最小的环上碳原子个数

．已知C3N4晶体具有比金刚石还大的硬度，且构成该晶体的微粒间只以单键结合。

下列关于C3N4晶体的说法错误的是

A该晶体属于原子晶体，其化学键比金刚石更牢固

B该晶体中每个碳原子连接4个氮原子、每个氮原子连接3个碳原子

C该晶体中碳原子和氮原子的最外层都满足8电子结构

D该晶体与金刚石相似，都是原子间以非极性键形成空间网状结构

．2001年曾报道，硼镁化合物刷新了金属化合物超导温度的最高记录。

该化合晶体结构中的晶胞如右图所示。

镁原子间形成正六棱柱，六个硼原子位于棱柱内。

则该化合物的化学式可表示为

AMg14B6BMg2BCMgB2DMg3B2

．纳米材料的表面微粒数占微粒总数的比例极大，这是它有许多特殊性质的原因，假设某硼镁化合物的结构如图所示，则这种纳米颗粒的表面微粒数占总微粒数的百分数为

A22％B70％C66.7％D33.3%

．纳米材料的特殊性质的原因之一是由于它具有很大的比表面积（S/V）即相同体积的纳米材料比一般材料的表面积大很多。

假定某种原子直径为0.2nm，则可推算在边长1nm的小立方体中，共有个原子，其表面有个原子，内部有______个原子。

由于处于表面的原子数目较多，其化学性质应（填“很活泼”或“较活泼”或“不活泼”）。

利用某些纳米材料与特殊气体的反应可以制造气敏元件，用以测定在某些环境中指定气体的含量，这种气敏元件是利用了纳米材料具有的作用。

．氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定。

工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃反应获得。

（1）氨化硅晶体属于晶体；（填晶体类型）

（2）已知氮化硅的晶体结构中，原子间都以单键相连，且N原子和N原子、Si原子和Si原子不直接相连，同时每个原子都满足8电子稳定结构。

请写出氮化硅的化学式；

（3）现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得到较高纯度的氮化硅。

反应的化学方程式为。

．晶体的最小重复单位是晶胞，晶胞一般为平行六面体（立方晶格为立方体）。

NaCl属立方面心晶格，在NaCl晶胞中8个顶点各有一个Na＋（顶点处的微粒为8个晶胞共有），6个面心处各有一个Na＋（面心处的微粒为两个晶胞共有），故我们说Na＋形成立方面心晶格，而在该晶胞的12条棱的中点处各有一个Cl－（棱心处的微粒为4个晶胞共有），在该立方晶胞的体心处还有一个Cl－（立方体内的微粒为一个晶胞独有），故Cl－也形成立方面心晶格。

（1）按上述微粒数的计算规则，则一个NaCl晶胞中有_____个Na＋，______个Cl－。

（2）KCl和NaCl的晶格型式相同。

已知Na＋离子的半径是Cl－离子的0.5倍，而又是K＋离子的0.7倍，计算：

KCl晶胞和NaCl晶胞的边长之比；KCl和NaCl晶体的密度之比。

（3）将NaCl晶胞中的所有Cl－去掉，并将Na＋全部换成C原子，再在每两个不共面的“小立方体”中心处各放置一个C原子便构成了金刚石的一个晶胞，则一个金刚石的晶胞中有________个C原子。

（4）计算金刚石的密度。

（已知C原子的半径为7.7×10－11m）

（5）白硅石SiO2属AB2型共价键晶体。

若将金刚石晶胞中的所有C原子换成Si原子，同时在每两个相邻的Si原子（距离最近的两个Si原子）中心联线的中点处增添一个O原子，则构成SiO2晶胞，故SiO2晶胞中有_______个Si原子，______个O原子，离O原子最近的Si原子有_______个，离Si原子最近的O原子有______个。

（6）干冰（固态CO2）属于分子晶体。

若把每个CO2分子抽象为一个质点（微粒），则其晶胞也属于立方面心晶格，故一个干冰晶胞中有_____个CO2，在干冰分子中，原子之间靠_____________结合，CO2分子之间靠__________结合。

．右图中的氯化钠晶胞和金刚石晶胞是分别指实线的小立方体还是虚线的大立方体？

．在晶体学中人们经常用平行四边形作为二维的晶胞来描述晶体中的二维平面结构。

试问：

石墨的二维碳平面的晶胞应如何取？

这个晶胞的晶胞参数如何？

．石墨的片层与层状结构如右图：

其中C—C键长为142pm，层间距离为340pm（1pm＝10－12米）。

试回答：

（1）片层中平均每个六圆环含碳原子数为个；在层状结构中，平均每个六棱柱（如ABCDEF—A1B2C3D4E5F6）含碳原子数个。

（2）在片层结构中，碳原子数、C—C键数、六元环数之比为。

（3）有规则晶体密度的求算方法：

取一部分晶体中的重复单位（如六棱柱ABCDEF—A1B2C3D4E5F6），计算它们的质量和体积，其比值即为所求晶体的密度，用此法可求出石墨晶体的密度为g/cm3（保留三位有效数字）。

．金晶体是面心立方体，金的原子半径为144pm。

（1）每个晶胞中含几个金原子？

（2）求出金的密度。

．金属镍（相对原子质量58.7）是立方面心晶格型式，计算其空间利用率（即原子体积占晶体空间的百分率）；若金属镍的密度为8.90g/cm3，计算晶体中最临近原子之间的距离；并计算能放入到镍晶体空隙中最大原子半径是多少？

．一薄层金沉积在一正方体云母片上，正方体边长为a＝1.00cm，金层形成理想的表面结构。

将上述金属和金线浸入到10cm3由CuSO4和Na2SO4溶液组成的电解质溶液，其物质的量浓度分别为c（CuSO4）＝0.100mol/L，c（Na2SO4）＝0.100mol/L，两电解质间产生恒电位差，以金薄层作阴极，金线为阳极，金属必有排列整齐的铜（共有100个单原子层）沉积在金基片上。

金的晶体结构为面心立方，其点阵恒等于407.7pm。

求铜层沉积后电解液中CuSO4的物质的量浓度为多少？

．晶体是质点（分子、离子或原子）在空间有规则地排列成的、具有整齐外形而以多面体出现的固体物质。

在空间里无限地周期性地重复能成为晶体具有代表性的最小单位，称为单元晶胞。

一种Al－Fe合金的立方晶胞如右图所示。

（1）导出此晶胞中Fe原子与周原子的个数比，并写出此种合金的化学式。

（2）若此晶胞的边长a＝0.578nm，计算此合金的密度（g/cm3）。

（3）试求Fe－Al原子之间的最短距离。

C组

．SiC是原子晶体，其结构类似金刚石，为C、Si两原子依次相间排列的正四面体型空间网状结构。

如右图所示为两个中心重合，各面分别平行的大小两个正方体，其中心为一Si原子，试在小正方体的顶点上画出与该Si最近的C的位置，在大正方体的棱上画出与该Si最近的Si的位置。

两大小正方体的边长之比为_______；Si—C—Si的键角为______（用反三角函数表示）；若Si—C键长为acm，则大正方体边长为_______cm；SiC晶体的密度为________g/cm3。

．已知金刚石中C－C键长为1.54×10－10m，那么金刚石的密度为。

d

．最近发现，只含镁、镍和碳三种元素的晶体竟然也具有超导性。

鉴于这三种元素都是常见元素，从而引起广泛关注。

该晶体的结构可看作由镁原子和镍原子在一起进行（面心）立方最密堆积（ccp），它们的排列有序，没有相互代换的现象（即没有平均原子或统计原子），它们构成两种八面体空隙，一种由镍原子构成，另一种由镍原子和镁原子一起构成，两种八面体的数量比是1︰3，碳原子只填充在镍原子构成的八面体空隙中。

（1）画出该新型超导材料的一个晶胞（碳原子用小

球，镍原子用大○球，镁原子用大

球）。

（2）写出该新型超导材料的化学式。

nh

．今年3月发现硼化镁在39K呈超导性，可能是人类对超导认识的新里程碑。

在硼化镁晶体的理想模型中，镁原子和硼原子是分层排布的，像维夫饼干，一层镁一层硼地相间，下图是该晶体微观空间中取出的部分原子沿C轴方向的投影，白球是镁原子投影，黑球是硼原子投影，图中的硼原子和镁原子投影在同一平面上。

（1）由下图可确定硼化镁的化学式为：

。

（2）在下图右边的方框里画出硼化镁的一个晶胞的透视图，标出该晶胞内面、棱、顶角上可能存在的所有硼原子和镁原子（镁原子用大白球，硼原子用小黑球表示）。

a＝b≠c，c轴向上

．金属铁的熔点为1811K。

在室温和熔点间，铁存在不同的晶型。

从室温到1185K，金属铁以体心立方（bcc）的α—铁的晶型存在。

从1185K到1667K，铁的晶体结构为面心立方（fcc）的γ—铁。

超过1667K直到熔点，铁转化为一种与α一铁的结构相似的体心立方（bcc）结构，称为δ一铁。

（1）已知纯铁的密度为7.874g/cm3（293K）：

①计算铁的原子半径（以cm表示）；

②计算在1250K下铁的密度（以g/cm3表示）。

注意；忽略热膨胀造成的微小影响。

注意你所使用的任何符号的原义，例如r＝铁原子的半径。

钢是铁和碳的合金，在晶体结构中某些空隙被小的碳原子填充。

钢中碳含量一般在0.1%到4.0%的范围内。

当钢中碳的含量为4.3%（质量）时，有利于在鼓风炉中熔化。

迅速冷却时，碳将分散在α—铁的晶体结构内。

这种新的晶体称为马氏体，它硬而脆。

尽管它的结构稍有畸变，其晶胞的大小与α一铁晶胞的大小仍然相同。

（2）已假定碳原子均匀地分布在铁的晶体结构中：

①计算含碳量（质量）为4.3%的马氏体中α一铁的每个晶胞中碳原子的平均数；

②计算马氏体的密度（以g/cm3表示）

摩尔质量和常数；MFe＝55.85g/molMC＝12g/molNA＝6.02214×1023mol－1

．近来，碳的多晶体（特别是富勒烯，当然也包括石墨）的性质再次引起研究者的关注，因为它们在金属原子配合物中可以作为大配体，并使金属原子配合物具有不同寻常的电物理性能。

石墨与碱金属蒸气在高压下相互作用，形成了分子式为MC8的新化合物。

这些化合物具有层状结构，层与层间原子的排列方式是：

一层中的碳原子恰好位于另一层中的碳原子之上；而金属原子位于层之间、六棱柱中心处（配位数为12）。

金属原子为钾时，层间距为560pm；金属原子为铷时，层间距为540pm；金属原子为铯时，层间距为590pm。

下表给出一些碱金属的原子和离子半径。

已知纯净石墨的层间距是334pm，而在同一层中的碳原子间的距离很短，等于141pm。

碱金属

原子半径（pm）

M＋离子半径（pm）

钾

235

133

铷

248

148

铯

268

169

（1）在这化合物中，碱金属的状态是（阳离子还是中性原子）？

通过计算说明。

（2）假定钡原子半径为221pm，钡离子的半径是135pm。

金属原子为钡时，这类化合物的层间距可能是

（3）由钡原子所占据的碳原子构建的六棱柱的数目是六棱柱总数的

（4）这些化合物的导电性属于（金属、半导体或绝缘体）。

．CaCux合金可看作如下图所示的a、b两种原子层交替堆积排列而成：

a是由Cu和Ca共同组成的层，层中Cu－Cu之间由实线相连；b是完全由Cu原子组成的层，Cu－Cu之间也由实线相连。

图中由虚线勾出的六角形，表示由这两种层平行堆积时垂直于层的相对位置。

c是由a和b两种原子层交替堆积成CaCux的晶体结构图。

在这结构中：

同一层的Ca－Cu为294pm；相邻两层的Ca－Cu为327pm。

（1）确定该合金的化学式

（2）Ca有个Cu原子配位（Ca周围的Cu原子数，不一定要等距最近），Ca的配位情况如何，列式计算Cu的平均配位数

（3）计算该合金的密度（Ca40.1Cu63.5）

（4）计算Ca、Cu原子半径。

abc

○Ca·Cu

．某同学在学习等径球最密堆积（立方最密堆积A1和六方最密堆积A3）后，提出了另一种最密堆积形式Ax。

如右图所示为Ax堆积的片层形式，然后第二层就堆积在第一层的空隙上。

请根据Ax的堆积形式回答：

（1）计算在片层结构中（如右图所示）球数、空隙数和切点数之比

（2）在Ax堆积中将会形成正八面体空隙和正四面体空隙。

请在片层图中画出正八面体空隙（用·表示）和正四面体空隙（用×表示）的投影，并确定球数、正八面体空隙数和正四面体空隙数之比

（3）指出Ax堆积中小球的配位数

（4）计算Ax堆积的原子空间利用率。

（5）计算正八面体和正四面体空隙半径（可填充小球的最大半径，设等径小球的半径为r）。

（6）已知金属Ni晶体结构为Ax堆积形式，Ni原子半径为124.6pm，计算金属Ni的密度。

（Ni的相对原子质量为58.70）

（7）如果CuH晶体中Cu＋的堆积形式为Ax型，H－填充在空隙中，且配位数是4。

则H－填充的是哪一类空隙，占有率是多少？

（8）当该同学将这种Ax堆积形式告诉老师时，老师说Ax就是A1或A3的某一种。

你认为是哪一种，为什么？

．石墨晶体由层状石墨“分子”按ABAB方式堆积而成，如右图所示，图中用虚线标出了石墨的一个六方晶胞。

（1）该晶胞的碳原子个数。

（2）写出晶胞内各碳的原子坐标。

（3）已知石墨的层间距为334.8pm，C－C键长为142pm，计算石墨晶体的密度为。

石墨可用作锂离子电池的负极材料，充电时发生下述反应：

Li1－xC6＋xLi＋＋xe－→LiC6其结果是，Li＋嵌入石墨的A、B层间，导致石墨的层堆积方式发生改变，形成化学式为LiC6的嵌入化合物。

（4）右图给出了一个Li＋沿C轴投影在A层上的位置，试在右图上标出与该离子临近的其他6个Li＋的投影位置。

（5）在LiC6中，Li＋与相邻石墨六元环的作用力属何种键型？

（6）某石墨嵌入化合物每个六元环都对应一个Li＋，写出它的化学式。

锂离子电池的正极材料为层状结构的LiNiO2。

已知LiNiO2中Li＋和Ni3＋均处于氧离子组成的正八面体体心位置，但处于不同层中。

（7）将化学计量的NiO和LiOH在空气中加热到770℃可得LiNiO2，试写出反应方程式。

（8）写出LiNiO2正极的充电反应方程式。

（9）锂离子完全脱嵌时LiNiO2的层状结构会变得不稳定，用铝取代部分镍形成LiNi1－yAlyO2。

可防止理离子完全脱嵌而起到稳定结构的作用，为什么？

参考答案（26）