2023年12月18日发(作者：)
高中化学奥赛专题讲座——立体化学近年来，无论是高考，还是全国竞赛，涉与空间结构的试题日趋增多，成为目前的热点之一。本讲座将从最简单的几种空间正多面体开始，与大家一同探讨中学化学竞赛中与空间结构有关的内容。第一讲中学化学中几种常见的晶体与应用一．晶体的概念与宏观性质：1．晶体是指具有规则外形的固体。其结构特征是内部的原子或分子在三维空间的排布具有特定的周期性，即隔一定距离重复出现。2．通性：〔1〕均匀性；〔2〕各向异性：晶体在不同方向上显示不同的性质；〔3〕具有固定的熔点；〔4〕对称性：这在很大程度上决定了晶体的性质。3．分类：除四种基本类型外，还有一种是过渡型晶体〔混合型晶体〕。如石墨晶体。二．晶胞的概念与常见类型：1．概念：在晶体结构中具有代表性的基本的重复单位称为晶胞。晶胞在三维空间无限重复就产生了宏观的晶体。2．基本要点：①晶胞必须是平行六面体；②同一晶体中所划分出来的同类晶胞的大小和形状完全相同；③晶胞是晶体结构中的基本的重复单位，但不一定是最小的重复单位。若一个晶胞只有一个最小重复单位，则称素晶胞，否则称复晶胞。例：金属钠简单立方晶胞面心立方晶胞体心立方晶胞3．几种常见的晶胞：中学中常见的晶胞为立方晶胞。立方晶胞中粒子数的计算方法如下：〔1〕顶点粒子有1/8属于晶胞；〔2〕棱边粒子有1/4属于晶胞；〔3〕面心粒子有1/2属于晶胞；〔4〕体心粒子按1全部计入晶胞。[实例分析]
①氯化钠、氯化铯晶胞〔配位数分别为6和8〕 NaCl、CsCl晶体密度的计算是常遇到的问题。其关系式如下：.
ρ=m/v=(n×M)/V3NaCl〕/〔a×NA〕对于NaCl晶体，设晶胞的边长为a，有ρ=〔4×M3CsCl〕/〔a×NA〕对于CsCl晶体，设晶胞的边长为a，有ρ=〔1×M+-或Cl所处的位置，[练习]如图所示，直线交点处的圆圈为NaCl晶体中Na请将其中代表Na+的圆圈涂黑〔不考虑体积大小〕，以完成NaCl的晶体结构示意图。〔1〕每个Na+离子周围与它最接近的且距离相等的Cl-离子共有_______ 个；Na+共有___ 个。〔2〕每个Cl-离子周围与它最接近的且距离相等的Na+离子共有______个；Cl-共有_____ 个。〔3〕每个Na+离子周围与它最接近的且距离相等的Na+离子构成一个体。②硫化锌晶胞〔配位数为4〕③金刚石的晶胞。每个C原子以共价键与( )个C原子紧邻,
由共价键构成的最小环结构中有( )个C原子。④观察干冰晶体结构，试分析与二氧化碳分子距离最近且相等的二氧化碳分子有______个，每个晶胞平均占有_____个CO2分子。⑤观察石墨晶体结构，试分析石墨晶体结构每层由许多个正六边形构成,则平均每1个正六边形占有碳原子数为_______个。⑥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，每个顶角各有一个原子，试观察图形回答。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。⑦1996年诺贝尔化学奖授予对发现C60有重大贡献的三位科学家。C60分子是形如球状的多面体〔如图〕，该结构的建立基于以下考虑：1〕C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键；.
2〕C60分子只含有五边形和六边形；3〕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
据上所述，可推知C60分子有12个五边形和20个六边形，且已知C60分子所含的双键数为30。请回答下列问题：〔1〕固体C60与金刚石相比较，熔点较高者应是________，理由是：___________________________________________________________。〔2〕试估计C60跟F2在一定条件下，能否发生反应生成C60F60〔填“可能〞或“不可能〞〕_______，并简述其理由：___________________________。（3）请通过列式计算，确定C60分子所含单键数。〔4〕C70分子也已制得，它的分子结构模型可以与C60同样考虑而推知。通过计算确定C70分子中五边形和六边形的数目。[例1]有一种兰色晶体，它的结构特征是Fe和Fe分别占据立方体-的互不相邻的顶点，而CN位于立方体棱上。（1）根据其结构特点，推出其化学式_________________________.
n+n-（2）此化学式带何种电荷？用什么样的离子〔M或M〕与其结合成电中性的化学式？并写出其电中性的化学式。（3）指出需添加的离子在晶体中的立方体结构中占据什么位置？[例2]〔98年XX竞赛〕某离子晶体晶胞结构如右图所示，X位于立方体的顶点，Y位于立方体中心。试分析：〔1〕晶体中每个Y同时吸引着个X，每个X同时吸引着个Y，该晶体化学式为；〔2〕晶体中在每个X周围与它最接近且距离相等的X共有______个；〔3〕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〔填角的度数〕；3〔4〕设该晶体的摩尔质量为Mg/mol，晶体密度为ρg/cm，阿伏加德罗常数3为NA，则晶体中两个距离最近的X之间的距离为cm。[提高训练]
＋－1．图中所示的是CsCl晶体的晶胞：Cs位于中心，Cl位于8个－顶角，则每个晶胞中的Cl的数目为A．1个B. 2个C.3个D.4个2.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.2+3+
A. 8:6:1B.1:1:1C.1:3:1D.2:3:1
3.某离子晶体的晶胞结构如下图所示：则该离子晶体的化学式为3C. ab2c3D. ab3c
4.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3CC.A2B3CD.A2B2C
5.2001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A. Mg14B6B. Mg2B C. MgB2D. Mg3B26.(复赛题)最近发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如右图所示，顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，它的化学式是______。7.食盐晶体是由钠离子和氯离子组成，这两种离子在空间按3个垂直方向都是等距离地交错排列。已知食盐的摩尔质3量是58.5克/摩，密度是2.2克/厘米，则食盐中相邻的钠离子核间距离的数值最接近于－8－8A. 3.0×10cmB. 3.5×10cm
－8－8C. 4.0×10cmD. 5.0×10cm8.钇钡铜复合氧化物超导体有着与钙钛矿型相关的晶体结构，若钙钛矿中Ca、Ti、O形成如下图所示的晶体，求钙钛矿的化学表达式：。9. (2001年复赛第11题)纳米材料的表面原子占总原子数的比例极大，这是它的许多特殊性质的原因，假设某氯化钠纳米颗粒的大小和形状恰等于氯化钠晶胞的大小和形状，求这种纳米颗粒的表面原子占总原子数的百分比。.
10.1986年，瑞士两位科学家发现一种性能良好的金属氧化物超导体，使超导工作取得突破性进展，为此两位科学家获得了1987年的Nobel物理学奖。其晶胞结构如图。(1)根据图示晶胞结构，推算晶体中Y，Cu，Ba和O原子个数比，确定其化学式。(2)根据(1)所推出的化合物的组成，计算其中Cu原子的平均化合价+3+2+2+3(该化合物中各元素的化合价为Y，Ba，Cu和Cu)试计算化合物中这两种价态Cu原子个数比。11．如图是氯化铯晶体的晶胞(晶体中最小的重复单元)，+已知晶体中2个最近的Cs离子核间距为a cm，氯化铯的式量为M，NA为阿伏加德罗常数，则氯化铯晶体的密度为A.8MNAa3gcmB.3Ma38NAgcm C..3MNAa3gcm D.
3Ma3NAgcm312.已知白磷是由P4分子形成的分子晶体，每个P4分子是正四面体结构。分子中的四个磷原子位于正四面体的四个顶点。则P4分子中共有___________个P—P键。PPPP13.磷在空气中充分燃烧后生成结构如图所示的分子。线表示化学键。试回答：(1)请从图中找出磷原子，并在图上将其涂黑。(2)形成化合物的化学式为 ________________。(3)分子内的磷原子排列成______________形。(4)每个磷原子处于______________中心。(5)在用实线表示的化学键中，两原子间单线表示的是 _________极(填写非极性键或极性键)。图中圆圈表示原子、实OOOOOOOOOOOOOO.
14．石墨是层状晶体，每一层内碳原子排列成正六边形，一个个正六边形排列成平面的网状结构。如果将每对相邻的原子间的化学键看成是一个化学键，则石墨晶体每一层内碳原子数与碳碳化学键数之比是( ).
A. 1∶1 B. 1∶2 C. 1∶3 D. 2∶3
15.〔05-XX-8〕2004年7月德俄两国化学家共同宣布，在高压下氮气会发生聚合得到高聚氮，这种高聚氮的N-N键的键能为160kJ/mol〔N2的键能为942kJ/mol〕，晶体片段结构如右图所示。又发现从N2可制取出N5、N3。含N5+离子的化合物与N60、N5极不稳定。则下列说法错误的是〔〕。A．按键型分类，该晶体中含有非极性共价键B．含N5+离子的化合物中既有离子键又有共价键+2355C．高聚氮与N、N、N、N、N60互为同素异形体D．这种固体的可能潜在应用是烈性炸药或高能材料16．〔05-XX-12〕近年来科学家们发现由100个碳原子构成具有完美对称性的C100原子团，每个碳原子可形成4个化学键，最内部是由20个碳原子构成的正十二面体，外层的60个碳原子形成12个分立的正五边形，处于中间层次的碳以单键方式将内外层碳原子连接在一起，当它与氟的单质反应形成分子时，其分子式应为A．C100F60B.C100F20C.C100F12 D.C100F4017.〔05-XX-15〕氢气是重要而洁净的能源，要利用氢气作能源，必须安全有效地储存氢气。有报道称某种合金材料有较大的储氢容量，其晶体结构的最小单元如右图所示。则这种合金的化学式为〔〕。A．LaNi6B．LaNi63C．LaNi4D．LaNi518．〔05-河南-20〕20．厦门大学郑兰荪院士合成了富勒烯足球状分子C50Cl10(如图)，50个碳原子组成若干个正六边形和正五边形，碳均为四价。有关说法正确的是 ( )50Cl10与CCl4互为同素异形体①C②C50Cl10分子中共用电子对数目为105个③C50Cl10相对分子质量为955
50Cl10分子中含有55个碳碳单键④C⑤C50Cl10分子中含有25个碳碳双键⑥ C50Cl10有较高的熔点A．①②③ B.②③④C.②③⑤D.③④⑥.
[提高训练]参考答案：1.A 2.C 3.A 4.B 5.C 39.表面原子为8(顶角)＋6(面心) ＋12(棱中心)8(顶角)＋6(面心)＋12(棱中心)+1(体心)＝27
26/27×100%＝96 %〔1分〕2+3+＝26 总原子数为表面原子占总原子数10.(1)YBa2Cu3O7(2)Cu:Cu=2:111.C12. 6个13.(1)
(2)P4010 (3)正四面体(4)由原予排列成的正四面体14.D 15.C 16.A 17.D 18.B
.(5)极性
