结构与物性习题--期末考试内容.doc

1论述题（20分） 试述环境和化学的关系？简述当今全球的重大环境问题？2简答题(每小题20分)：1. 写出碳原子的电子组态，估计其电负性? 金刚石和石墨中的C-C键是什么键？用原子轨道杂化理论解释之？解释石墨为何具有金属光泽和导电性？2. 晶胞的两个要素？简述晶体对称元素和对称操作的种类？X射线具有何特点及与物质相互作用？用简图画出（100）、（111）和（110）晶面，并且再画出和Z轴平行的各晶面在XY平面的投影？3物质磁性的种类？试定性的描绘永磁材料和软磁材料的磁滞回线图，指出它们的主要差别？指出Br、Hc和(BH)m名称和物理意义？3计算题（20分）： 参照P300的例子来求算 已知KCl晶体的生成热 -437kJ/mol，金属钾的升华热89 kJ/mol，K原子电离能为418 kJ/mol，Cl2的解离能为244 kJ/mol，Cl原子的电子亲和能为-349 kJ/mol，试做KCl晶体的Born-Haber循环图，求出KCl的点阵能？4计算题（20分）： 已知CaCl2晶体的生成热-796kJ/mol，金属钙的升华热178 kJ/mol，Ca原子第一、二电离能分别为590 kJ/mol和1150 kJ/mol，Cl2的解离能为244 kJ/mol，Cl原子的电子亲和能为-349 kJ/mol，试做CaCl2晶体的Born-Haber循环图，求出CaCl2的点阵能？1.试简述第六周期元素从Cs到Hg硬度变化规律及产生的原因.答：第六周期元素从Cs到W逐步增大，但从W到Hg却逐步减小。由于有相对论效应的影响，6S轨道收缩，能级降低与5d轨道一起组成6个价轨道。金属中这六个价轨道和周围配位的相同的金属原子的价层轨道产生相互叠加作用，且这六个价轨道和配位环境的对称性都很高。各个轨道都能参加成键作用，平均而言，每个原子3个成键轨道和3个反键轨道，电子按能量由低到高排列，当价电子数少于六个时电子填入成键轨道，随着电子数的增加，能量降低增多，结合力加强硬度上升。到达W时成键轨道排满，结合力最强，硬度最高，多于6个电子时，电子填入反键轨道上，结合力随着电子数的增多而逐步减弱，硬度逐渐下降。2.什么是电子能谱？举例说明3种电子能谱并简明说明其特点。答:电子能谱：能量确定的电子或者光子照射样品使之电离，发射出电子，分析电离产生的电子数量和动能关系。；利用结合能为横坐标，被激发电离产生的电子数为纵坐标，所得电子数Eb（orEk）关系图称为电子能谱。（1）.紫外光电子能谱：激发源是紫外光；特点是使价层电子电离；（2）X射线光电子能谱：激发源是单色X射线：特点是内层电子电离；（3）俄歇电子能谱：激发源是高能电子或者X射线（内层电子被电离后，会发生两个过程，光辐射过程-辐射出特征X射线，俄歇过程-特征X射线激发一个二次电子，即俄歇电子。）3.什么是不对称合成？什么是外消旋体的拆分？什么是外消旋混合物？答：不对称合成：在合成反应中，设法使反应物的对称基因反应，产生不等量的旋光异构体产生的合成。外消旋体的两个对应体的物理性质相同，不能用一般的蒸馏等物理方法使它们分开，将外消旋体的两个对映体分开的方法称为外消旋体的拆分，若外消旋体是一种酸，通常注入一种具有特定手性的碱，使酸碱进行作用生成盐结晶体，两种对映体的酸和一种手性碱往往空间堆积条件的不同，盐的性质就会不同，利用这种性质的差异即可拆分。将一对对映体化合物等量混合，称为外消旋混合物。4.燃料电池由哪三部分组成？燃料电池与干电池的主要差别是什么？简单说明酸碱性电解质氢氧燃料电池的差别（要用反应方程说明）。答：燃料电池由电极，电解质和催化剂三部分组成。燃料电池与干电池的主要差别在于化学反应物质不是储存在电池的内部，而是用外加的设备，源源不断地提供燃料和氧化剂等反应物。对酸性电解质：负极：H22H+ +2e-；正极：2H+ +1/2O2+2e-H2O。对碱性电解质：负极：H2+2OH-2H2O+2e- ；正极：1/2O2+H2O+2e-2OH- 对上述两种电解质，总的电池反应都是 ：H2+1/2O2H2O 。酸性电解质的氢氧燃料电池，氧化生成物在氧气侧产生；碱性电解质电池，水在氢气侧产生。5.简单说明一下什么是阴极（正极）保护法。答在钢铁上焊上一块更易氧化的金属，如锌或镁合金，当水或者潮湿空气接触金属时，锌和铁因为电极电势不同，锌发生氧化作用，是阳极；铁起还原作用，是阴极，锌被氧化溶解，铁不会被腐蚀，直到铁全部被溶完为止。负极：ZnZn2+ +2e-；正极：1/2O2+2H+ +2e-H2O。6.汞熔点低而相邻的金的熔点很高。“真金不怕火炼”，是什么原因。答：电子结构： 由于6s轨道收缩，能级显著下降，与5d轨道一起形成最外层的价轨道。这时金具有可类似于卤素的电子组态，有些性质和卤素相似。汞具有类似于稀有气体的电子组态，单个原子就是一个分子，其第一电离能和稀有气体相似；不能形成稳定强的共价单键，只能以单原子分子存在于气相之中，其原子间的结合力所以其熔点较低。7.简述分子中存在离域键对分子结构和物理化学性质的影响。答：参加形成离域键的原子趋于平面，键长均匀化，即按经典的方法写出单双键交替排列的结构式时，单键要比典型值缩短，双键比典型值长，在苯分子中6个C-键长相等，分不出单键双键的差别；具有特定的化学性质。如丁二烯倾向于1,4加成；苯分子取代反应比加成反应容易进行，具有特征的吸收光谱和电性等。这些性质和共轭键中的电荷分布，分子轨道能级的间隔等均有密切关系，可统称为共轭效应。影响：离域键的形成增加物质的电导性能，如石墨；离域键的形成增加电子的离域范围，体系能量降低，能级间隔变小，电子光谱吸收峰由键的紫外光区移至离域键的可见光区；离域键的形成影响化合物的酸碱性，羧酸和苯酚电离出H+后，RCOO-（ ）和 均扩大离域范围，稳定存在。而苯胺( )和酰胺（ ）已有离域键掺在，不易电离苯胺的孤对电子可接受H+形成-NH3+基团，故显弱碱性；离域键的存在影响物质的化学反应性，芳香化合物的芳香性，游离基的稳定性，氯乙烯中Cl活泼性的降低等均和共轭效应有关。8.简述14C测定年代的原理。答：14C在大气中和O2结合成CO2.由于宇宙射线的强度稳定不变，大气中的14CO2的浓度也不会改变。在地球上活着的生物体内，由于新城代谢作用，吸收和放出的C的过程不断进行，生物体的14含量保持不变，但当生物死后，失去新城代谢作用，14C就不再通过C的循环进行置换进入生物体，留在生物体内的14C只能按其半衰期减少。因此，利用埋藏在地下或保存放置的生物体测其14C的残留量即可判断该生物体死去的年龄。9.为什么PH3可以与过渡金属形成许多配合物，而NF3几乎不具有这种性质？答：（1）电负性PN，两因素均使PH3的P的孤对电子比NF3中N的孤对电子更易配出；（2）O是第三周其元素，其空的3d轨道可接受过渡金属M反馈的电子，形成d-d反馈键，且成键与反馈成键协同。10.相似相容原理：结构相似的化合物容易互相混合，结构相差很大的化合物不易互溶。其中结构二字主要有两层含义：一是指物质结合在一起所依靠的化学键类型，对于有分子结合成的物质，主要指分子间结合力类型；二是指分子或离子，原子相对大小以及离子的电价。11.共价键形成的本质：从能量角度看，聚集在核间运动的电子，同时受到两个核正电荷的吸引，使体系能量降低，从而形成稳定的分子。12.由两个原子轨道有效组合成分子轨道时，必须满足能级高低相近，轨道最大重叠，对称性匹配三个条件，而分子中电子根据Pauli原理，能量最低原理和Hund规则增填在分子轨道上。13.简述石墨分子轨道的形成并解释其导电原因。答：石墨是平面层形分子，每个碳原子都是按照平面正三角形等距离的和3个碳原子相连，每个碳原子以sp2杂化轨道和周围3个C原子形成3个键后，在垂直于层的方向上尚剩余一个p轨道和一个价电子，它们互相叠加形成贯穿于整个层的离域键，石墨是导体内部结构根源就在于这种离域键，由层型分子堆叠形成石墨晶体14.静电力和诱导力只存在于极性分子中，色散力在极性分子中和非极性分子中都存在。甲醇和硼酸分子之间存在色散力诱导力和氢键三种作用力。15.两个p轨道形成反键轨道时，轨道会有3个节面，而形成成键轨道会有1个节面；根据VSEPR理论，对于IBrCl3-，中心价电子的对数为6，几何构型为八面体，孤对电子为2，ClIClClIBr。16.疏水效应的本质并非由于非极性分子间有较高的吸引力，而是因为水分子之间的氢键力很强，把非极性分子或者非极性基团挤压在一起的结果。17.金刚石中每个碳原子以sp3方式杂化；在石墨中具有三种不同的作用力，除了共价键，其中范德华力（层与层之间的距离大，结合力（范德华力）小，各层可以滑动）可以解释石墨的滑腻感；离域键（离域键的电子能自由流动）可以解释导电传热性质。18.在太阳光的紫外线照射下，碳氢化合物，氮氧化合物，氧等相互在转化，发生光化学烟雾反应，产生烟和雾。由于同位素的核质量的差异队化学性质影响很小，所以不能用应用化学性质的差别进行富集和分离，利用CO2激光器发出高功率激光照射三氯甲烷使之吸收多个光子，CDF3分子受激发，按CDF3CF2+DF，2CF2C2F4反应机理分解，而CHF3分解很慢。分子间生成氢键，熔沸点会升高，分子内生成氢键，熔沸点会降低。C60分子形象足球，碳原子处在由12个正五边形和200个正六边形组成的球状的60个顶点上。现在煤的合理综合应用，已有实用价值的方法包括煤的焦化气化和液化，电池可分为原电池，蓄电池和燃料电池。19.我国某单位利用水吸收红外光的特性设计出高效低温干燥器，简述其原理。答：纯水的主要吸收为300-1到3600-1范围，利用这一特性使干燥器辐射出的红外光源能量分布曲线集中在2800-3800cm，用词光源照射在含水的物体上，大部分能被水吸收，提高水热能，使水分子运动加快而蒸发掉，而对物体其他部分吸收热能很少，整体温度降低，实现低温高效干燥的目的。20.常见的三种原子光谱是原子发射光谱，原子吸收光谱和原子X射线谱；电子能谱三种紫外线电子能谱，X射线光电子能谱和俄歇电子能谱。利用光谱方法可检测高纯度实际或材料中所含的极微量杂质。21.电负性定义：基态时自由原子价层电子的平均电子能量，与原子的电离能和原子的电子亲和能。22.现代常用来测定原子分子和分子碎片的精确质量的物理方法是什么？简述原理。答：质谱法；控制电场和磁场测质荷比。23.怎样从原子轨道的正交性来理解相对论效应的实质？答：因为不同轨道对称性的差异，1s轨道的收缩；其他s轨道要作相应的收缩，而p，d，f等轨道不因正交性要求收缩。相反，s轨道收缩，增加了队核的屏蔽效应，使d和f轨道的电子有效核电荷减小，和无相对论效应情况对比，d和f轨道径向分布出现膨胀，能量升高。这种轨道膨胀又使队s电子的屏蔽减小，加强有效核电荷，间接促进s轨道收缩。24.什么是分子轨道和分子轨道理论？答：分子中每个电子是在由各个原子核其余电子组成的平均势场中运动，第i个电子的运动 状态用波函数i描述，i称为分子中单电子波函数，又称分子轨道。分子轨道理论包括分子轨道的概念和分子轨道的形成，分子轨道可以近似地用能级相近的原子轨道线性组合得到。25.卤族元素熔沸点随原子序数增加而递增的原因。答：卤素为非极性分子，色散力是主要作用力，随着分子量增大极化率增大，色散力加大，熔沸点升高。26.SiCl4沸点较高，SiH3Cl较低，为何？答：SiCl4是非极性分子，色散力是分子间主要的作用力，SiH3Cl是极性分子，由于静电力远小于色散力，可知SiCl4沸点高于SiH3Cl沸点。27.二甲醚（CH3-O-CH3）和乙醇（CH3CH2OH)为同分异构体，但沸点为何差别这样大？答：他们虽为同分异构体，但乙醇分子间存在氢键，结合力较色散力等分子间作用力强，所以乙醇比二甲醚沸点高。28.Pauli原理量子力学中的表达：描述多电子体系轨道运动和自旋运动的全波函数，对任意两粒子的全部坐标（空间坐标和自旋坐标）进行交换，一定得到反对称的波函数。两点推论：一是在一个多电子体系中，两个自选相同的电子不能占据同一个轨道。也就是说在同一个原子中，两个电子的量子数不能完全相同；二是存在Pauli斥力，它表明在一个多电子体系中，自旋相同的电子尽可能分开远离。29.H2+形成的原因：聚集在荷间的电子云，同时收到了两个原子核的吸引，即荷间的电子云把两个原子核结合在一起。30.反键轨道应重视，原因如下：反键轨道时整个分子轨道中不可缺少的组成部分；反键轨道具有和成键轨道相似的性质，可按Pauli原理有自旋相反的一对电子占据；在形成化学键过程中，有时和其他轨道相互叠加也可以形成化学键，降低体系能量，促进分子稳定形成；反键轨道时了解分子激发态性质的关键。31.由于过渡金属离子价层d轨道没有充满电子，在成键和性质上配位化合物具有以下性质：在不同配体环境下，中心金属原子可以具有多种不同价态；能和不同数目的配体结合，形成多种形式的配位化合物；配位化合物通常带有颜色；许多配位化合物具有顺磁性；配位化合物具有催化性能（这是由于中心金属原子能和反应物配位结合，是反应物相互接近，容易进行轨道重合，同时未充满的夹层轨道可以提供或者接受电子，为电荷转移提供条件。32.最多氢键原理：氢键键能较范德华力大，在具备形成氢键条件的固体，液体甚至气体中都尽可能多的形成氢键。33.盐酸硝酸和硫酸等试剂常用玻璃瓶做容器包装，但氢氟酸会将玻璃腐蚀溶解，不能用玻璃瓶做容器。浓碱液不能用玻璃容器，因为碱液会和玻璃的硅酸盐缓慢的反应而溶解，可以用塑料容器盛放。特别注意装稀碱液的玻璃瓶不能用磨口玻璃塞，以免腐蚀粘连在一起。34.NO是明星分子：NO能使血管平滑肌松弛，血管扩张，调节血压；NO具有脂溶性，分布在神经细胞胞浆中；NO在以内对记忆力和肠胃功能有重要影响，可提供作治疗高血压，心绞痛，关节炎等的参考依据；NO能增强免疫功能。35.手性：一个物体和他在镜中的像，如同人的左右两只手，虽然相似但不完全相同，不可能单纯通过平移和转动使其重合的性质。一、 量子力学假设假设1：波函数和微观粒子的状态 对于一个微观体系，它的状态和有关情况可以用波函数（x, y, z, t)来表示。是体系的状态函数，是体系中所有粒子的坐标函数，也是时间函数。（x, y, z, t)决定了体系的全部可测物理量.假设2 ：物理量和算符微观体系的每个可测物理量都对应着一个线性自轭算符。如 u(x) = v(x) 。 就称为算符或算子。假设3：本征态、本征值 如果某一力学量A的算符作用于某一状态函数y后，等于某一常数a乘以y。 y a y为本证方程，处于本征态的力学量A具有确定的值a假设4：态叠加原理若y1，y2 yn为某一微观体系的可能状态，由它们线性组合所得的y也是该体系可能的状态。 假设5 ：泡利不相容原理 在同一原子轨道或分子轨道上，至多只能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋状态必须相反。或者说两个自旋相同的电子不能占据相同的轨道。二、 分子对称1、 分子对称性是指：分子中所有相同类型的原子在平衡构型时的空间排布是对称的2、 操作：不改变分子中各原子间距离使分子几何构型发生位移的一种动作。3、对称操作：每次操作都能产生一个和原来图形等价的图形，通过一次或几次操作使图形完全复原。3、 对称操作包括：旋转、反映、反演、反转对称元素和对称操作是两个既有联系又有区别的概念，一个对称元素可以对应多个对称操作。三、 晶体结构1、固体分类(按结构)（1）晶体：长程有序（单晶、多晶）（2）非晶体：长程无序，短程有序（3）准晶体：有长程取向性，而没有长程的平移对称性。2、晶体的共性1、长程有序: 至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。2、自限性: 晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。3、各向异性: 晶体的物理性质是各项异性的。4晶体的均匀性：晶体中任意两点(在同一方向上)的物理性质相同。5晶体的对称性: 晶体在某几个特定方向上可以异向同性，这种相同的性质在不同的方向上有规律地重复出现，称为晶体的对称性。6晶体固定的熔点: 给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持不变，直到晶体全部熔化，温度才开始上升，即晶体有固定的熔点。3、晶体结合形式1、离子键（ionic bond)：原子形成正、负离子后通过静电引力相互吸引而形成的结合键依靠正、负离子间的静电吸引作用稳定地结合成分子，如：电离能低的碱金属与亲和能高的卤素原子形成的分子。NaCl、CsCl2、共价键(valence bond): 两个原子共用一对自旋相反的电子所形成的结合键。金刚石SiGe3、范德瓦耳斯键(Van der Waals bond)或分子键(molecular bond)：满壳层电子结构的原子之间靠范德瓦耳斯力的结合。形成分子晶体。惰性气体4、氢键(hydrogen bond): 氢原子同时与两个电负性较强的原子成键，就会形成氢键。H2O、H2F。5、金属键(metal bond)：金属元素的原子失去最外层的价电子后成为正离子；各个价电子形成“电子云”。正离子与“电子云”中的电子的相互吸引，产生了金属键。Cu、Mg、Zn。四、 C材料：C纳米管的制备、性质、应用A）结构：由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管B) 制备:电弧放电法、催化裂解法(、化学气相沉积法、激光蒸发（烧蚀）法、等离子体法、热解聚合物法（化学热解法）、增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法(又称PE-HF-CVD法)、离子（电子束）辐射法、催化裂解无基体法、电解法C）性质：1、高的机械强度和弹性。2、优良的导体和半导体特性。量子限域所致3、高的比表面积。4、强的吸附性能。5、优良的光学特性6、发光强度随发射电流的增大而增强。D）应用： 储氢和储能 单电子晶体管 高能微型电池 高能电容器 计算机芯片导热板 高温防护材料 等等五、 SiC、ZnO的结构、性质、应用、关联SiC的半导体性质、优点 带隙(Eg)宽2.3-3.3eV；临界击穿电场强度(Eb)高，比Si高一个量级；电子饱和漂移速率(s)大，是Si的2倍；热导率(K)大，约为Si的2-3倍，甚至优于铜；介电常数(r)低 应用：高频、微波器件；大功率器件；耐高温器件；光电器件；耐辐射及高能粒子探测 ZnO的晶体结构ZnO是II-VI族化合物半导体材料，具有纤锌矿结构，属于空间群P63mc，其晶格常数a=3.2495 ，c=5.2069 ；c/a1.602,比理想的六方密堆积结构1.633略小性质：光学、紫外受激发射、压电、导电、湿敏、气敏等特性应用：制作太阳能电池透明电极、压敏元件、气敏元件、发光器件、紫外光探测器七、CoFe2O4结构：CoFe2O4铁氧体是铁基氧化物中比较重要的一种，属于尖晶石型、立方晶系。尖晶石型铁氧体的晶体结构为面心立方结构，其中氧离子作面心立方密堆积，存在着四面体位与八面体位两类间隙，Co2+离子占据八面体的间隙位置，而Fe3+离子选择性的占据四面体和八面体的间隙位置。性质：具有立方结构的钴铁氧体是一种性能优良的永磁材料,它具有高的矫顽力和磁饱和强度、磁晶各向异性常数较大、化学性能稳定且耐腐蚀耐磨损等。其矫顽力和电阻率比磁性合金高几十倍,高频磁导率较高,单元铁氧体在室温下的磁晶各向异性常数可高达约2.7105J/m37。所有这些优点使它广泛地应用于低损耗磁芯材料、垂直磁记录材料、磁性静态波器件以及表面磁性研究中。应用：吸波材料：将其制备成纳米级微粒，不仅可以提高其吸波性能，还可以减轻质量。在电视、无线电、录音、录像、计算机技术、自动控制、雷达导航、宇宙飞行、卫星通讯、仪表测量、印刷显示、医学生物、高速运输等领域都得到了广泛应用。八、 名词解释+其它1、当有足够强的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或固有吸收。2、价带中的电子吸收一定波长的可见光或近红外光可以相互脱离而自行漂移，并参与导电，即产生所谓光导电现象。当导带中的一个电子与价带中的一个空穴复合时，就会发射出可见光的光子，这就是所谓光致发光现象。3激发源和发光材料分类发光（Luminescence）一般用来描述某些固体材料由于吸收能量而随之发生的发射光现象。发光可以以激发光源类型的不同划分为如下发光类型：光致发光（Photoluminescence）：以光子或光为激发光源，常用的有紫外光作激发源。电致发光（Electroluminescence）：以电能作激发源。阴极致发光（Cathodoluminescence）：使用阴极射线或电子束为激发源。4、发光效率 发光材料的另一个重要特性是其发光强度，发光强度也随激发强度而改变。通常用发光效率来表征材料的发光本领，有3种表示方法：量子效率、能量效率、光度效率。5、荧光（Fluorescence）：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为1600 1030 756 315 86.5阳离子半径(pm) 133 99 76 74 64 5358、 解释下列问题：（1）CCl4是液体，CH4及CF4是气体，CI4是固体（室温）。（2）BeO的熔点高于LiF。（3）HF的熔点高于HCl。（4）SiO2的熔点高于SO2（5）NaF的熔点高于NaCl。59、 写出下列NaCl型晶体点阵能大小的次序及依据的原理。CaO, NaBr, SrO, ScN, KBr和BaO60、 从元素电负性计算下列化合物的离子性百分数，并给出共价键成份由大至小的顺序。离子性百分数 = 1e-0.18(X)2， 为电负性差。LiCl, NaCl, AgCl, LiI, NaI, CsI和AgI(采用书p23页的数据；Cs和Ag的电负性分别为0.86和1.42)61、 Li2O为立方晶体，反CaF2型结构。晶体中O-2为立方密堆，Li+占据全部Td空隙。 （1）画出晶胞草图。（2）指出Li+和O-2的配位数。62、 纯金属的原子体积是由一块该金属的体积除以其中所包含的原子个数求得的，也可由单胞的体积除以单胞中所包含的原子个数求得。由X衍射实验知道钨为体心立方结构，晶胞参数a =0.3165 nm，求（1）钨的原子体积（2）钨的密度（3）计算一个半径与钨原子相同的园球的体积与钨的原子体积之比。此比值是什么值？63、 对比置换固溶体和间隙固溶体的结构。附 录1某些物质的标准生成焓，标准生成自由焓和标准熵（