浅谈有关晶体结构的分析和计算

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1、浅谈有关晶体结构的分析和计算 浅谈有关晶体结构的分析和计算 摘 要：晶体结构的分析和计算是历年全国高考化学试卷中三个选做题之一，本文从晶体结构的粒子数和化学式的确定，晶体中化学键数的确定和晶体的空间结构的计算等方面，探讨有关晶体结构的分析和计算的必要性。 关键词：晶体、结构、计算、晶胞 在全国统一高考化学试卷中，有三个题目是现行中学化学教材中选学内容，它们分别化学与生活、有机化学基础和物质结构与性质。虽然三个题目在高考时只需选做一题，由于是选学内容，学生对选学内容往往重视不够，所以在高考时学生对这部分题目得分不够理想。笔者对有关晶体结构的分析和计算进行简单的归纳总结，或许对学生学习有关晶体结构

2、分析和计算有所帮助，若有不妥这处，敬请同仁批评指正。 一、有关晶体结构的粒子数和化学式确定 、常见晶体结构的类型 1、原子晶体 金刚石晶体中微粒分布： 、每个碳原子与4个碳原子以共价键结合，形成正四面体结构。 、键角均为10928。 、最小碳环由6个碳组成并且六个碳原子不在同一平面内。 、每个碳原子参与4条C-C键的形成，碳原子与C-C键之比为1:2。 二氧化硅晶体中微粒分布 、每个硅原子与4个氧原子以共价键结合，形成正四面体结构。 、每个正四面体占有1个Si，4个“1氧”，n(Si)：n(O)=1：2。 2、最小环上有12个原子，即：6个氧原子和6个硅原子. 2、分子晶体：干冰晶体中微粒分布

3、 、8个CO2分子构成立方体并且在6个面心又各占据1个CO2分子。 、每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子有12个。 3、离子晶体 、NaCl型晶体中微粒分布 、每个Na+周围等距离且紧邻的Cl-(Na+)有6个。每个Na+周围等距离紧邻的Na+有12个。 、每个晶胞中含4个Na+和 4个Cl-。 1 、CsCl型晶体中微粒分布 、每个Cs+周围等距离且紧邻的Cl-有 8个，每个Cs+、简单立方晶胞：典型代表Po，空间利用率52%，配位数为6 、体心立方晶胞：典型代表Na、K、Fe，空间利用率60%，配位数为8。 、六方最密堆积：典型代表Mg、Zn、Ti，空间利用率74%，配位数为12。

4、2 、面心立方晶胞：典型代表Cu、Ag、Au，空间利用率74%，配位数为12。 、晶胞中微粒的计算方法均摊法 1、概念：均摊法是指每个图形平均拥有的粒子数目，如某个粒子为n个晶胞所共有，则 该粒子有1属于一个晶胞。 n 2、解题思路：首先应分析晶胞的结构，然后利用“均摊法”解题。 3、中学化学常见晶胞类型：长方体形晶胞、正六棱柱形晶胞、非长方体形晶胞. 、长方体形晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献 1。 81、处于棱上的粒子，同时为4个晶胞共有，每个粒子对晶胞的贡献为。 41、处于面上的粒子，同时为2个晶胞共有，每个粒子对晶胞的贡献为。 2、处于顶点的粒子，同时为8个晶胞共有，每个粒子对晶胞的贡

5、献为、处于体内的粒子，则完全属于该晶胞，对晶胞的贡献为1。 、正六棱柱形晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献 1。 61、处于棱上的粒子，同时为3个晶胞共有，每个粒子对晶胞的贡献为。 31、处于面上的粒子，同时为2个晶胞共有，每个粒子对晶胞的贡献为。 2、处于顶点的粒子，同时为6个晶胞共有，每个粒子对晶胞的贡献为、处于体内的粒子，则完全属于该晶胞，对晶胞的贡献为1. 、非长方体形晶胞中粒子对晶胞的贡献视具体情况而定。常见如石墨晶胞每一层内碳原子排成六边形，其顶点对六边形的贡献为、例题解析： 1。 3 3 某离子晶体晶胞结构如图1-1所示：X位于立方体的顶点，Y位于立方体中心。试分析： 晶体中每个Y

6、同时吸引着_个X，每个X同时吸引着_个Y，该晶体的化学式为_。 晶体中每个X周围与它最接近且距离相等的X共有_个。 晶体中距离最近的2个X与1个Y形成的夹角XYX的度数为_。 13图1-1 设该晶体的摩尔质量为M gmol，晶体的密度为 gcm，阿伏加德罗常数为NA，则晶体中两个距离最近的X中心间的距离为_ cm。 解析：本题目考查了学生的空间想象力和对晶胞粒子的确定方法。 、如图1-2所示：由于X粒子位于晶胞的顶点，只有1/8X属于该晶胞，而Y粒子位于晶胞内部，完全属于该晶胞，故该晶体中XY=1，即化学式为XY2或Y2X。每个Y2同时吸引着4个X，每个X同时吸引着8个Y、每个X周围与X最接近

7、且距离相等的X应为83个。 、如图1-2所示，由Y粒子和X粒子间虚线可推知，可构成正四面体形结构，故XYX为10928。 、设该晶胞的边长为a，两个X中心间距离为r， 、求选定立方体中的粒子数： 由于每个晶胞中相当于含有个X和一个Y，即个XY2。 821114 = Y： 1 化学式为X1Y或 XY2或Y2X 故：N = 8222 4 1NM= 2M 、求晶胞质量：m = NANANMNAm、计算立方体的体积： = = VVM(gmol-1)1NM-1NA(mol)2Nmm由： = =A可知： = Va3VV解得：a 3M cm 又因为 r 2a 所以r =2 2rNA3Mcm 2rNA3答案：

8、4 8 XY2或Y2X 12 10928 2 二、晶体中化学键数的确定 M2rNA 在中学化学中计算化学键数目的物质常见的是金刚石、二氧化硅、C60、C20和石墨。 1、金刚石晶体：C原子最外层有4个电子，可以形成4对共价键，但每对共价键都与另一个C原子共用，所以要乘以1，就得到共价键数目了；故1mol金刚石有2mol共价键。 22、二氧化硅晶体：SiO2晶体中的基本结构单元是硅氧四面体SiO4。在硅氧四面体中，Si原子位于四面体的中心，4个O原子分别位于四面体的4个顶点，形成4个Si-O键。每一个硅氧四面体以共用顶点O原子的方式和相邻的4个硅氧四面体连接，由此形成SiO2晶体。因此，在SiO

9、2晶体中，每一个Si原子和周围的氧原子形成4个Si-O键，而相邻Si原子之间则通过O原子相连，即Si-O-Si。所以，1mol SiO2晶体中含有4mol Si-O键。 3、C60是单质家族中的新成员，已知每个碳原子与其他三个碳原子相连。请根据碳的成键方式计算C60分子中存在_条C-C单键，_条C=C双键。 解析：碳原子的成键方式：每个碳原子通过4条共价键与其它原子成键。其成键方式如图2-1所示： 由图2-1可以看出：每个CC单键为2个碳原子所拥有，故每个碳原子占有 1=1条C C单键，分子中共有160=60条CC单键；每个C=C双2个原 21112-1 图 子拥有，故每个碳原子占有1=条C=

10、C双键，分子中共有60=30条222 2C=C双键。 5 4、德国和美国科学家首先制出由20个碳原子组成的空心笼状分子C20，该笼状结构是由许 多正五边形构成如图2-2所示 C20分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键； 多面体的顶点数、面数和棱边数的关系， 遵循欧拉定理：顶点数+面数-棱边数=2， 请回答：C20分子共有_个正五边形，共有_条棱边 解析：由图2-2知，每个顶点上有1个碳原子，所以顶点个数等于碳原子个数为20，每个顶点含有棱边数=图2-2 1153 = 1.5 则棱边数=1.520=30，每个面含有顶点个数= 5= ， 233则面数 =20=12。或根据欧拉定理得面数=

11、2+棱边数-顶点数=2+30-20=12。故答案为：12；30 5、石墨晶体中平均每个最小的碳原子环所拥有的化学键数为_。 解析：最小环为六元环,有6条共价键，1条共价键被2个六元环共有，所以1个六元环平均3条共价键。 即：每个六元环含有碳原子数：6=2，每个六元环含有碳碳共价键数：三、晶体的空间结构的计算 1、晶体中粒子间距离与晶体密度、摩尔质量、阿伏伽德罗常数之间的计算关系： 解题思路：选定立方体计算立方体中粒子数求这一定数目粒子的质量计算1316=3 2NMNAm立方体体积 = = VV2、例题解析 例题1、 (1)多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化铝、硫化镉、硫化锌薄

12、膜电池等 第一电离能：As_Se(填“”、“”或“”) 二氧化硒分子的空间构型为_ 砷化铝晶体结构与硅相似，在砷化铝晶体中，每个Al原子与_个A s原子相连 6 (2)镧镍合金、铜钙合金及铈钴合金都具有相同类型的晶胞结构XYn，它们有很强的储氢能力，其中铜钙合金的晶胞结构如下图，试回答下列问题： 在周期表中Ca处于周期表_区 铜原子的基态核外电子排布式为：_ 已知镧镍合金LaNin晶胞体积为9.01023 cm3，储氢后形成LaNinH4.5的合金(氢进入晶胞空隙，体积不变)，则LaNin中，n_(填数值)；氢在合金中的密度为：_ (3)中美科学家合作发现钙和锶在C60上吸附很强，可以均匀地覆

13、盖在C60表面上，形成M32C60非常适于实际应用Ca32C60上可吸附至少92个氢分子有关说法正确的是_ A钙的电负性比锶的小 BC60中碳原子杂化方式为sp3 CCa32C60储氢是与H2发生加成反应 D吸附相同数目氢分子时，储氢质量分数Ca32C60比Sr32C60高 分析：考点：晶胞的计算,元素周期表的结构及其应用,元素电离能、电负性的含义及应用,判断简单分子或离子的构型,原子轨道杂化方式及杂化类型判断。 同一周期元素，元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势，但第IIA族、第VA族元素第一电离能大于相邻元素； 根据价层电子对互斥理论确定其空间构型；其空间构型与SO2相似，属于V

14、型。 每个Al原子与4个As原子相连； 根据最后排入电子名称确定元素所属区名称，Ca在S区。在周期表中S区含第一、第二主族元素。 铜原子核外有29个电子，根据构造原理书写其基态原子核外电子排布式； 利用均摊法确定Ca、Cu合金化学式，镧镍合金、铜钙合金及铈钴合金都具有相同类型的晶胞结构XYn，从而确定n值，再根据=m计算其密度； VA元素的非金属性越强，其电负性越大； BC60中碳原子采用杂化方式为sp2； CCa32C60储氢发生物理变化； 7 D吸附相同数目氢分子时，储氢质量分数M32C60的相对分子质量成反比 解答：同一周期元素，元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势，但第IIA族、第VA族元素第一电离能大于相邻元素，As和Se属于同一周期元素，且As属于第VA族元素、Se属于第VIA族元素，所以第一电离能AsSe，故答案为：； SeO2中Se原子价层电子对个数=2+型为V