晶胞的相关计算专项训练知识点及练习题及答案.docx
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晶胞的相关计算专项训练知识点及练习题及答案
晶胞的相关计算专项训练知识点及练习题及答案
一、晶胞的相关计算
1.国庆70周年阅兵式展示了我国研制的各种导弹。
导弹之所以有神奇的命中率,与材料息息相关,镓(Ga)、锗(Ge)、硅(Si)、硒(Se)的单质及某些化合物(如砷化镓、磷化镓等)都是常用的半导体材料。
回答下列问题:
(1)硒常用作光敏材料,基态硒原子的核外电子排布式为[Ar]__。
(2)根据元素周期律,原子半径Ga__As,第一电离能Ga__As。
(填“大于”或“小于”)
(3)水晶的主要成分是二氧化硅,在水晶中硅原子的配位数是__。
(4)GaN、GaP、GaAs都是很好的半导体材料,晶体类型与晶体硅类似,熔点如下表所示,分析其变化原因:
__。
晶体
GaN
GaP
GaAs
熔点/℃
1700
1480
1238
(5)GaN晶胞的结构如图1所示。
已知六棱柱底边边长为acm,阿伏加德罗常数的值为NA。
①晶胞中Ga原子采用六方最密堆积方式,每个Ga原子周围距离最近的Ga原子数目为__。
②从GaN晶体中“分割”出的平行六面体如图2。
若该平行六面体的体积为
a3cm3,则GaN晶体的密度为__(用含a、NA的代数式表示)g·cm-3。
2.钯(Pd)、锌及其化合物在合成酮类物质中有极其重要的作用,如图为合成
的反应过程:
回答下列问题:
(1)I原子价电子排布式为___________,其能量最高的能层是___________(填能层符号)。
(2)H、C、O三种元素的电负性由大到小的顺序为___________。
(3)
中碳原子的杂化方式为___________。
(4)ZnCl2溶液中加入足量氨水,发生的反应为ZnCl2+4NH3·H2O=[Zn(NH3)4]Cl2+4H2O。
①上述反应涉及的物质中,固态时属于分子晶体的是___________。
②NH3的空间构型为___________。
③1mol[Zn(NH3)4]Cl2中含有___________molσ键。
(5)Zn和Cu可形成金属互化物(ZnCu),该金属互化物中所有金属原子均按面心立方最密堆积,若所有Cu均位于晶胞的面心,则Zn位于晶胞的___________。
(6)金属钯的堆积方式如图所示:
①该晶胞中原子的空间利用率为___________(用含π的式子表示)。
②若该晶胞参数a=658pm,则该晶胞密度为___________(列出计算表达式)g·cm-3。
3.据《科技日报》报道,我国科学家研制成功一系列石墨烯限域的3d过渡金属中心(Mn、Fe、Co、Ni、Cu)催化剂,在室温条件下以H2O2为氧化剂直接将CH4氧化成C的含氧化合物。
请回答下列问题:
(1)在Mn、Fe、Co、Ni、Cu中,某基态原子核外电子排布遵循“洪特规则特例”(指能量相同的原子轨道在全满、半满、全空状态时,体系的能量最低),该原子的外围电子排布式为_____。
(2)在3d过渡金属中,基态原子未成对电子数最多的元素是_____(填元素符号)。
(3)铜的焰色反应呈绿色,在现代化学中,常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素,称为_____。
(4)石墨烯限域单原子铁能活化CH4分子中的C-H键,导致C与H之间的作用力_____(“减弱”或“不变”)。
铁晶体中粒子之间作用力类型是_____。
(5)常温下,H2O2氧化CH4生成CH3OH、HCHO、HCOOH等。
①它们的沸点分别为64.7℃、-19.5℃、100.8℃,其主要原因是_____;
②CH4和HCHO比较,键角较大的是_____,主要原因是_____。
(6)钴晶胞和白铜(铜镍合金)晶胞分别如图1、2所示。
①钴晶胞堆积方式的名称为_____;
②已知白铜晶胞的密度为dg·cm-3,NA代表阿伏加德罗常数的值。
图2晶胞中两个面心上铜原子最短核间距为_____pm(列出计算式)。
4.工业上合成氨,CO易与铁触媒作用导致铁触媒失去催化活性:
Fe+5CO═Fe(CO)5.为了防止催化剂铁触媒中毒,要除去CO,发生的反应为Cu(NH3)2OOCCH3+CO+NH3═Cu(NH3)3(CO)OOCCH3.回答下列问题:
(1)下列氮原子的电子排布图表示的状态中,能量最低的是______(填字母序号)。
a.
b.
c.
d.
(2)写出CO的一种常见等电子体分子的结构式:
______;C、N、O的第一电离能由大到小的顺序为______(用元素符号表示)。
(3)与O同族的元素还有S、Se、Te,它们氢化物的沸点大小为H2O>H2Te>H2Se>H2S,其原因是______。
(4)配合物[Cu(NH3)2]OOCCH3中,铜显+1价,则其中碳原子的杂化轨道类型是______,NH3分子的价电子对互斥理论模型是______。
(5)已知铜的一种氧化物Cu2O晶体的晶胞结构如图所示:
①若坐标参数A为(0,0,0),B为(
),则C的坐标参数为______;
②若阿伏加德罗常数为NA,该晶胞的边长为apm,则晶体的密度为______g•cm-3。
5.贝壳、珍珠、方解石等主要成分均含有CaCO3,回答下列问题:
(1)利用焰色反应的原理既可制作五彩缤纷的节日烟花,亦可定性鉴别某些金属盐。
灼烧碳酸钙时的焰色为_______(填标号)。
A黄色B红色C紫色D绿色
(2)CaCO3中三种元素第一电离能由小到大的顺序是__________。
CaCO3中的化学键除了σ键外,还存在_________________。
(3)关于CO2和CO32-的下列说法正确的是__________。
a两种微粒价层电子对数相同b两种微粒的中心原子均无孤电子对
c键角:
CO2>CO32- d两种微粒的中心原子杂化方式相同
(4)难溶碳酸盐易分解,CaCO3、BaCO3热分解温度更高的是_____,原因是______。
(5)方解石的菱面体结构如图1,沿三次轴的俯视图为正六边形。
方解石的六方晶胞结构如图2,晶胞底面为平行四边形,其较小夹角为60°,边长为a nm,晶胞高为cnm。
A点在俯视图中为a,则B点在俯视图中的位置为_________(填字母)。
方解石的六方晶胞中,Ca2+和CO32-个数比为___________;若阿伏加德罗常数为NA,则该方解石的密度为________g/cm3(列出计算式)。
6.钴的化合物在工业生产、生命科技等行业有重要应用。
(1)Co2+的核外电子排布式为_______,Co的第四电离能比Fe的第四电离能要小得多,原因是__________________________。
(2)Co2+、Co3+都能与CN一形成配位数为6的配离子。
CN一中碳原子的杂化方式为____________;HCN分子中含有
键的数目为__________________。
(3)用KCN处理含Co2+的盐溶液,有红色的Co(CN)2析出,将它溶于过量的KCN溶液后,可生成紫色的[Co(CN)6]4-,该配离子是一种相当强的还原剂,在加热时能与水反应生成[Co(CN)6]3-,写出该反应的离子方程式:
_______________。
(4)金属钴的堆积方式为六方最密堆积,其配位数是_____。
有学者从钴晶体中取出非常规的“六棱柱”晶胞,结构如图所示,该晶胞中原子个数为_____,该晶胞的边长为anm,高为cnm,该晶体的密度为___g•cm-3(NA表示阿伏加德罗常数的值,列出代数式)
7.硼及其化合物在新材料、工农业生产等方面用途很广。
请回答下列问题:
(1)写出与B元素同主族的Ga元素的基态原子核外电子排布式:
________。
(2)立方氮化硼(BN)可利用人工方法在高温高压条件下合成,属于超硬材料。
同属原子晶体的氮化硼比晶体硅具有更高的硬度和耐热性的原因是__________。
(3)BF3分子中中心原子的杂化轨道类型是____。
又知若有d轨道参与杂化,能大大提高中心原子的成键能力,分析BF3、SiF4水解的产物中,除了相应的酸外,前者生成BF4-而后者生成SiF62-的原因:
_______________。
(4)NaBH4被认为是有机化学中的“万能还原剂”,NaBH4的电子式为_________,其中三种元素的电负性由大到小的顺序是_______________。
(5)自然界中含硼元素的钠盐是一种天然矿藏,其化学式写作Na2B4O7•10H2O,实际上它的结构单元是由两个H3BO3和两个B(OH)4]-(合而成的双六元环,应该写成Na2[B4O5(OH)4]•8H2O,其结构如图所示,它的阴离子可形成链状结构,则该晶体中不存在的作用力是______________(填字母)。
A.离子键B.共价键C.氢键D.金属键E.范德华力
(6)磷化硼(BP)可作为金属表面的保护薄膜,其晶胞如图所示,在BP晶胞中P占据的是硼原子堆积的_____(填“立方体”“正四面体”或“正八面体”)空隙。
建立如图所示坐标系,可得晶胞中A、C处原子的分数坐标,则N处的P原子分数坐标为______。
若晶胞中硼原子和磷原子之间的最近核间距为apm,则晶胞边长为____________cm。
8.氮、磷、硼、砷的化合物用途非常广泛。
根据所学知识回答下列问题:
(1)如图所示,每条折线表示周期表ⅣA-ⅦA中的某一族元素氢化物的沸点变化。
每个小黑点代表一种氢化物,其中a、b、c、d、e对应元素电负性最大的是__(用元素符号表示),e点代表的第三周期某元素的基态原子核外电子占据的最高能层符号为__,该能层具有的原子轨道数为__。
(2)已知反应:
(CH3)3C-F+SbF5→(CH3)3CSbF6,该反应可生成(CH3)3C+,该离子中碳原子杂化方式有__。
(3)一种新型储氢化合物氨硼烷是乙烷的等电子体,且加热氨硼烷会慢慢释放氢气,推断氨硼烷的结构式为__(若含有配位键,要求用箭头表示)。
(4)PCl5是一种白色晶体,在恒容密闭容器中加热可在148℃液化,形成一种能导电的熔体,测得其中含有一种正四面体形阳离子和一种正八面体形阴离子,熔体中P-Cl的键长只有198nm和206nm两种,这两种离子的化学式为__;正四面体形阳离子中键角大于PCl3的键角原因为___。
(5)砷化硼为立方晶系晶体,该晶胞中原子的分数坐标为:
B:
(0,0,0);(
,
,0);(
,0,
);(0,
,
)
As:
(
,
,
);(
,
,
);(
,
,
);(
,
,
)
①请在图中画出砷化硼晶胞的俯视图__。
②与砷原子紧邻的硼原子有__个,与每个硼原子紧邻的硼原子有__个。
9.一水合甘氨酸锌是一种矿物类饲料添加剂,结构简式如图
。
(1)基态Zn2+的价电子排布式为_______________;一水合甘氨酸锌中所涉及的非金属元素电负性由大到小的顺序是___________________。
(2)甘氨酸(H2N-CH2-COOH)中N的杂化轨道类型为______________;甘氨酸易溶于水,试从结构角度解释___________________________________________。
(3)一水合甘氨酸锌中Zn2+的配位数为______________________。
(4)[Zn(IMI)4](ClO4)2是Zn2+的另一种配合物,IMI的结构为
,则1molIMI中含有________个σ键。
(5)常温下IMI的某种衍生物与甘氨酸形成的离子化合物
为液态而非固态,原因是________________________________________。
(6)Zn与S形成某种化合物的晶胞如图Ⅰ所示。
①Zn2+填入S2-组成的________________空隙中;
②由①能否判断出S2-、Zn2+相切?
_________(填“能”或“否”);已知晶体密度为dg/cm3,S2-半径为apm,若要使S2-、Zn2+相切,则Zn2+半径为____________________pm(写计算表达式)。
10.氮和磷元素的单质和化合物在农药生产及工业制造业等领域用途非常广泛,请根据提示回答下列问题:
(1)科学家合成了一种阳离子为“N5n+”,其结构是对称的,5个N排成“V”形,每个N原子都达到8电子稳定结构,且含有2个氮氮三键;此后又合成了一种含有“N5n+”化学式为“N8”的离子晶体,其电子式为___,其中的阴离子的空间构型为___。
(2)2001年德国专家从硫酸铵中检出一种组成为N4H4(SO4)2的物质,经测定,该物质易溶于水,在水中以SO42-和N4H44+两种离子的形式存在。
N4H44+根系易吸收,但它遇到碱时会生成类似白磷的N4分子,不能被植物吸收。
1个N4H44+中含有___个σ键。
(3)氨(NH3)和膦(PH3)是两种三角锥形气态氢化物,其键角分别为107°和93.6°,试分析PH3的键角小于NH3的原因___。
(4)P4S3可用于制造火柴,其分子结构如图1所示。
①P4S3分子中硫原子的杂化轨道类型为___。
②每个P4S3分子中含孤电子对的数目为___。
(5)某种磁性氮化铁的晶胞结构如图2所示,该化合物的化学式为___。
若晶胞底边长为anm,高为cnm,则这种磁性氮化铁的晶体密度为__g·cm−3(用含a、c和NA的式子表示)
(6)高温超导材料,是具有高临界转变温度(Te)能在液氮温度条件下工作的超导材料。
高温超导材料镧钡铜氧化物中含有Cu3+。
基态时Cu3+的电子排布式为[Ar]__;化合物中,稀土元素最常见的化合价是+3,但也有少数的稀土元素可以显示+4价,观察下面四种稀土元素的电离能数据,判断最有可能显示+4价的稀土元素是___(填元素符号)。
几种稀土元素的电离能(单位:
kJ·mol−1)
元素
I1
I2
I3
I4
Sc(钪)
633
1235
2389
7019
Y(铱)
616
1181
1980
5963
La(镧)
538
1067
1850
4819
Ce(铈)
527
1047
1949
3547
11.中国的铀工业自20世纪50年代兴起,现已形成完整的和具有相当规模的科研和工业生产体系。
铀是原子反应堆的原料,常见铀的化合物有UF4、UO2及(NH4)4〔UO2(CO3)3〕等。
回答下列问题:
(1)UF4用Mg或Ca还原可得金属铀。
①基态氟原子的价电子排布图为_____________;
②金属铀的一种堆积方式为体心立方堆积,该堆积方式的空间利用率为_______;
③UF4用Mg或Ca还原时,其氧化产物是MgF2或CaF2,已知MgF2的熔点高于CaF2,其原因是_________________。
(2)已知:
(NH4)4〔UO2(CO3)3〕
3UO2+10NH3↑+9CO2↑+N2↑+9H2O↑
①(NH4)4〔UO2(CO3)3〕存在的微粒间作用力是_________;
a.离子键b.共价键c.配位键d.金属键
②NH4+的空间构型为______,与NH4+等电子体的分子或离子有_____(写一种);
③CO32-中碳原子杂化轨道类型为_________;
(3)UO2的晶胞结构如图所示:
①晶胞中U原子位于面心和顶点,氧原子填充在U原子堆积形成的空隙中,在该空隙中氧原子堆积形成的立体的空间构型为___________(填“立方体”、“四面体”、“八面体”);
②若两个氧原子间的最短距离为anm,则UO2晶体的密度为__________g·cm-3。
(列出含a算式即可。
用NA表示阿伏加德罗常数的值。
)
12.新型储氢材料是开发利用氢能的重要研究方向。
(1)Ti(BH4)3是一种储氢材料,可由TiCl4和LiBH4反应制得。
①基态Cl原子中,电子占据的最高电子层符号为__,该电子层具有的原子轨道数为__。
②LiBH4由Li+和BH4-构成,BH4-的立体构型是__,B原子的杂化轨道类型是___。
③Li、B元素的电负性由小到大的顺序为___。
(2)金属氢化物是具有良好发展前景的储氢材料。
①LiH中,离子半径:
Li+__H-(填“>”“=”或“<”)。
②某储氢材料是短周期金属元素M的氢化物。
M的部分电离能如下表所示:
I1/kJ·mol-1
I2/kJ·mol-1
I3/kJ·mol-1
I4/kJ·mol-1
I5/kJ·mol-1
738
1451
7733
10540
13630
M是__族元素。
(3)图2是立方氮化硼晶胞沿z轴的投影图,请在图中圆球上涂“●”和涂“
”分别标明B与N的相对位置___。
(4)NaH具有NaCl型晶体结构,已知NaH晶体的晶胞参数a=488pm,Na+半径为102pm,H-的半径为__,NaH的理论密度是__g·cm-3(保留3个有效数字)。
【参考答案】***试卷处理标记,请不要删除
一、晶胞的相关计算
1.A
解析:
3d104s24p4大于小于4原子半径N<P<As,键长Ga—N<Ga—P<Ga—As,键能Ga—N>Ga—P>Ga—As,故CaN、GaP、GaAs的熔点逐渐降低12
【解析】
【分析】
(1)基态硒原子序数为34,根据构造原理写出其核外电子排布式;
(2)同一周期中从左到右,原子半径逐渐减小,同一周期从左到右,元素的第一电离能有增大趋势,但IIA、VA族第一电离能大于同周期相邻元素;
(3)二氧化硅晶体中含有“SiO4”结构单元,1个Si原子结合4个O原子,同时每个O原子结合2个Si原子;
(4)原子晶体中,原子半径越大,共价键键长越长,共价键越弱,键能越小,晶体的熔点越低;
(5)①晶胞中Ga原子采用六方最密堆积方式,每个Ga原子周围距离最近的Ga原子数目为12;
②均摊法计算晶胞(平行六面体)中Ga、N原子数目,计算原子总质量,根据晶体密度=晶胞质量÷晶胞体积。
【详解】
(1)Se是34号元素,位于第四周期ⅥA族,核外电子排布式为[Ar]3d104s24p4;
(2)根据元素周期律,Ga与As位于同一周期,Ga原子序数小于As,故原子半径Ga大于As,同周期第一电离能变化趋势是从左到右增大,故第一电离能Ga小于As;
(3)水晶中1个硅原子结合4个氧原子,同时每个氧原子结合2个硅原子,所以水晶是以[SiO4]四面体向空间延伸的立体网状结构,水晶中硅原子的配位数为4;
(4)原子半径N<P<As,键长Ga—N<Ga—P<Ga—As,键能Ga—N>Ga—P>Ga—As,故GaN、GaP、GaAs的熔点逐渐降低;
(5)从六方晶胞的面心原子分析,上、中、下层分别有3、6、3个配位原子,故配位数为12。
六方晶胞中原子的数目往往采用均摊法:
①位于晶胞顶点的原子为6个晶胞共用,对一个晶胞的贡献为
;②位于晶胞面心的原子为2个晶胞共用,对一个晶胞的贡献为
;③位于晶胞侧棱的原子为3个晶胞共用,对一个晶胞的贡献为
;④位于晶胞体心的原子为1个晶胞共用,对一个晶胞的贡献为1。
GaN晶胞中Ga原子个数为
,N原子个数为
,所以该晶胞化学式为Ga6N6,质量为
g,该六棱柱的底面为正六边形,边长为acm,底面的面积为6个边长为acm的正三角形面积之和,根据正三角形面积的计算公式,该底面的面积为
,由图2可知六棱柱的高为
,所以晶胞的体积为
,密度为
g•cm−3。
【点睛】
物质结构的综合考题,涉及核外电子排布、电离能、化学键、等电子体、晶体类型与性质、晶胞结构与计算等知识,理解原子相对位置并计算晶胞的体积是解题关键,其中均摊法确定立方晶胞中粒子数目的方法是:
①顶点:
每个顶点的原子被8个晶胞共有,所以晶胞对顶点原子只占
份额;②棱:
每条棱的原子被4个晶胞共有,所以晶胞对顶点原子只占
份额;③面上:
每个面的原子被2个晶胞共有,所以晶胞对顶点原子只占
份额;④内部:
内部原子不与其他晶胞分享,完全属于该晶胞。
2.C
解析:
5s25p5OO>C>Hsp2、sp3NH3·H2O、H2O三角锥形16顶点、面心
【解析】
【分析】
根据原子杂化轨道和价层电子排布原理进行回答,晶胞原子利用率=原子体积/晶胞总体积,回答下列问题。
【详解】
(1)I原子为53号元素,则价层电子排布式为:
5s25p5;能量最高的为第四层,即O。
(2)同周期元素,从左到右元素的电负性逐渐增大,则有电负性C<O,H的电负性最小,故有H<C<O。
(3)
中碳原子的结构有甲基和苯环,杂化方式为sp2、sp3。
(4)①ZnCl2和[Zn(NH3)4]Cl2为离子晶体,属于分子晶体的是NH3·H2O、H2O。
②NH3的空间构型为三角锥形。
③锌和氮原子之间可形成4个σ键,每个氨气中有3个σ键,所有1mol[Zn(NH3)4]Cl2中含有4+3×4=16molσ键。
(5)Zn和Cu可形成金属互化物(ZnCu),该金属互化物中所有金属原子均按面心立方最密堆积,若所有Cu均位于晶胞的面心,则Zn位于晶胞的顶点、面心。
(6)①面心立方最密堆积结构,含有钯原子数目为
=4个钯原子,设钯原子半径为r,晶胞中钯原子的体积为
,面心立方中,体对角线上为3个钯原子相切,则体对角线为4r,晶胞边长为
,晶胞体积为
,该晶胞中原子的空间利用率为
。
②若该晶胞参数a=658pm,则该晶胞密度为
=
g·cm-3。
【点睛】
本题计算晶胞密度时,注意①NA个晶胞质量和摩尔质量关系;②金属原子半径和立方体边长关系;③单位关系换算1nm=1000pm=10-9m。
3.C
解析:
3d104s1Cr光谱分析减弱金属键HCOOH、CH3OH存在氢键,且HCOOH中氢键更强,HCHO分子间存在范德华力,氢键比范德华力更强HCHOCH4中C原子采取sp3杂化,HCHO中C原子采取sp2杂化六方最密堆积
【解析】
【分析】
(1)具有全充满、半充满、全空的电子构型的原子更稳定;
(2)在3d过渡金属中,基态原子未成对电子数最多的元素的价电子排布式为3d54s1;
(3)用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素称为光谱分析;
(4)石墨烯限域单原子铁活化CH4分子中的C-H键,说明在催化剂条件下C-H更容易发生断裂,其键能降低;铁晶体属于金属晶体,晶体中存在自由电子和金属阳离子,靠金属键结合形成金属单质;
(5)①HCOOH、CH3OH存在氢键,且HCOOH中氢键更强,HCHO分子间存在范德华力,氢键比范德华力更强;
②CH4为正四面体构型,HCHO为平面三角形,键角主要由碳原子杂化方式决定;
(6)①由图1所示,可知钴晶胞的堆积方式是六方最密堆积;
②面心6个Cu原子构成正八面体,棱上2个Cu原子与体心连线形成等腰直角三角形,该等腰直角三角形的斜边长即为两个面心上铜原子最短核间距,由几何知识可知两个面心上铜原子最短核间距=直角边长度的
倍,而等腰直角三角形的直角边长等于晶胞棱长的
,均摊法计算晶胞中Cu、Ni原子数目,计算晶胞质量,结合晶胞质量=晶体密度×晶胞体积计算晶胞棱长。
【详解】
(1)具有全充满、半充满、全空的电子构型的原子更稳定,在Mn、Fe、Co、Ni、Cu的外围电子排布式分别为3d54s2、3d
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