高中化学 晶体结构与三维化学竞赛解析

晶体结构和三维化学新规定的化学竞争初步要求：晶体结构。结晶细胞。原子坐标。细胞中原子数或分子数的计算及其与化学式的关系。分子晶体、原子晶体、离子晶体和金属晶体。猜数字。晶体的积累和填充模型。NaCl、CsCl、spml、sphalerite (ZnS)、萤石(CaF2)、钻石、石墨、硒、冰、干冰、尿素、金红石、钙钛矿、根据对晶体三维空间结构的明确理解、数学知识及相关化学理论解决晶体问题是早期学生的要求。在高考新康考试中，应该表明，对于原子、分子、化学结合等微观结构，需要三维想象力。三维化学已成为竞争和高考中的热点内容。正八面体和正多面体顾名思义，正八面体必须有八个完全相同的面，每个面为正三角形，如下图所示；此外，正八面体有6个顶点，12个边。与正方体相比，共有12个边，正方体有6个面(正八面体的6个顶点)，8个顶点(正八面体的8个面)，正八面体的面数和顶点数相反。连接立方体六面的我们的面心可以形成正八面体。此外，在空间正交XYZ轴上连接距原点相等距离的六个点，可以构成正八面体。范例1。(2020年全国大赛)下面的照片是化学家们合而为一的实现热电效应的晶体的单位单元模型，即可从workspace页面中移除物件。图中的大原子是镧等稀土原子。小原子周期是第五个主要元素，如锑。中等大小的原始子是铁一样的周期系统VIII族元素。如上所述打结构成写这种热电晶体的化学式。提供计算过程。提示：单位单元6面的原子数量相同。在晶体中，锑的氧化状态为-1，镧的氧化状态为3，问：铁的平均氧化状态是多少？分析：细胞有两个La原子(细胞的角和体心)。八个Fe原子(在锑形成的八面体的中心)。锑的八面体都以顶角连接，平均每八面体有6/2=3个锑原子，立方具有8个八面体，8x3=24个锑原子。是2f e8sb24。答案：化学LaFe4Sb12铁的氧化状态9/4=2.25范例2 .(2020年全国初战)最近发现的仅含镁、镍、碳三种元素的晶体也具有超导性。这三个因素都是共同的，因此引起了广泛的关注。这种晶体的结构可以看作是镁原子和镍原子结合在一起的(面心)立方体的最紧密的堆积(CCP)，它们没有互相替换的现象(即没有平均原子或统计原子)，形成两个八面体缝隙，一个由镍原子组成，另一个由镍原子和镁原子组成，两个八面体的正负比为1: 3，(1)绘制了这种新超导材料的立方(碳原子是小球，镍原子是大球，镁原子是大球)。(2)用新超导材料的化学式。回答：(1)(面心)立方体最稠密的积累-白莱时模型中八面体空位和堆积球的比例为1: 1，图立方体中八面体空位位于体心位置和所有棱镜的中心，其比例为1: 3，体心位置的八面体由镍原子构成，可以填充碳原子，而体心位置的八面体由两个镁原子和四个镍原子构成，不填充碳原子)，以获取详细信息(2) mgnic3(化学表达式中元素的顺序可能不同，但原子数不能错)。范例3 .如果将Nb2O5和假钾共晶，产生溶于水的铌酸钾，慢慢富集，就能得到结晶KpNbmOn16H2O，发现晶体中存在nbmon p-离子。离子结构由6个NbO6正八面体组成。每个NbO6八面体中的六个氧原子排列如下：四个氧原子各构成顶点，如四个NbO6八面体。第五个氧原子与五个八面体共享顶点。第六个氧原子单独属于这个八面体。计算并确定晶体的化学式。计算一下离这个离子结构最远的氧原子之间的距离是最短的铌原子之间距离的多少倍？分析：这是有关正八面体积累的问题，我先根据问题的意义来计算。以一个铌氧八面体为例，一个氧原子完全属于这个八面体，四个氧原子分别与一个八面体共享一个氧原子，也就是说，属于这个八面体的氧原子是二分之一，另一个氧原子与六个八面体共享，当然是六分之一。因此，对于铌，氧原子的数量为1 41/2 1/6=19/6。在正方体中，可以使用8个小正方体堆叠成大正方体。在正八面体中，我们还可以用六个小正八面体做一个大正八面体。在这里，六个小正八面体的体心也可以构成小正八面体。不知道是否考虑一个问题。随着8个正方形的堆积，边长增加了2倍，体积当然增加了8倍。正八面体堆积，边长也翻倍，体积是6倍。注意事项：立方块堆叠时，它们为共顶点、等角、共平面；正八面体堆积，是总顶点，是总角，但不共面。正八面体累加的话，就是面和面之间有很大的空隙。答案：633369k8 nb6o 19 16h2o2正射、六、八面体的组合范例4 .XeF8是尚未合成的化合物，预测它的空间构成。f有两个同位素，XeF8有不同的分子。(不包括反向异构体和光学异构体)分析：空间中八个原子的最对称排列是正方形。集中在正四面体和正八面体上，然后看看这个正四面体问题。可以将八个正向顶点设置为全部由aF占用。我们每次都是0，1，2，3.替换为8个bF，查看2个bF。有三种。各边、面对角线、主体对角线；看三个BF。也有3种。由3个bF组成的三角形边长分别为1，1，1，当你看四个bF的时候，有几个。有两种类型的bF共面，如图所示，例如ABCD和A1B1CD类型四个bF由两种四面体ACB1D1垂直于三角剖分的ABDA1和ABCD1组成，每种都有ABCC1和ABCD 1类型。因此，总和必须为(1 1 3)2 6=22。范例5 .(1998年全国预选赛)1932年捷克人兰达等人在南摩拉维亚油田的石油馏分中发现了烷烃(代码a)，第二年用x射线技术证实了其结构，这是一个名叫卢卡斯的人已经预言的。后来合成了很多a，其胺衍生物具有抗病毒、抗颤抖的药物活性，被开发成了常用药物。下图显示了具有2，3，4个a的三个复杂框架烷烃，其基本结构单元“模块”像积木一样“交叉”。(13分)(1)根据这些图表绘制a的结构，并给出a的分子式。(2)图中b，c，d的三个分子是否属于a同一系列的四个同系物？(？怎么了？(3)继续向d添加“块”a模块，得到e后，给出e的分子。e有异构体吗？如果是这样的话，如果给出异构体的数量并说明得出结论的原因，就可以用图表说明。解决方案：(1)这是观察善于观察识字的选手的空间想象力和推理能力的考试。考试题是b，c，d是由a积木组成的框架烷烃，大家认为a是由母体共享的椅子型6原告利构成的，可以推出a的结构式，得到a的分分。C10H16(2)A、b、c和d在结构上具有相同的特性，并且在配置上始终具有一个差异(- C4H4)。c4n 6h4n 12，n=1，2，3，4.根据相同的系列定义。(3)通过通食可以推断，通过再添加一个积木mo a，可以得到化学式C26H32的e。有异构体吗？这首先要正确理解a的结构。a有4个6元的圆环，都是椅子的形式，但事实上是一样的。四个碳原子是连接三个碳原子，另外四个是连接两个碳原子。这两种是相极，同一种碳原子没有区别。因此，a到6元环4个都是一样的。但是，由于d到6元环的方向不同，可以分成不同的3组，因此C26H32必须有3种异构体(请注意，a中的碳不能再被d到4个碳原子相连的碳原子称为“哑碳”)。十二面体、二十面体和碳-60在平面上，我们可以用单位方形，无限平面贴紧；正六角形单位也可以用平面紧密填充。那么正三角形可以吗？六边形正好可以分成六个正三角形，所以显然单位正三角形也不错；如图所示，每个顶点为108(不是约360)。没有任何缝隙铺在平坦的表面是不可能的。空间正多面体中，一个顶点的边必须至少为3个，一个顶点的角度总和必须小于360(例如，正多面体270，正八面体240)，因此如果立方体不能构成空间中每个面都是立方体的立方体，那么五角形可以构成立方体吗？3108 360，因此有可能。这是正多面体正十二面体，由正六角形组成。范例6 .上图显示了十二面体烷烃的空间构成，写了化学式，并计算了它的一氯取代体和二氯取代体的数量。分析：在正十二面体中，每个面都是正五边形，所有三条边都是顶点，因此顶点数必须为125/3=20，边数必须为125/2=30。因为是空间多面体，它的每个顶点必须相同，一氯代物只能是一种。我选择了一个顶点，离它最近的顶点是3个(小伙子)，然后是6个，3个，1个，所以二氯苯替代品有5个。回答：化学式C20H20，1种一氯替代品，5种二氯替代品。范例7 .晶体硼的基本结构单位是由硼原子构成的正二十面体，每个三角形是正三角形，每个顶点是一个硼原子。每个基本单位由原子组成。在这个单元中，如果两个原子为10B(剩下的为11B)，那么结构单元就有多种类型。分析：根据20个正三角形(如案例1中所示)，顶点数计算为2035=12。如果选择了一个顶点，则最近的顶点数为5个，然后是5个，1个，即2个替代项为3个。回答：12个3种范例8 .(2001年全国初战)最近，C60利用称为“醋酸”的化合物H(CB11H6Cl6)和C60反应得到一个质子，脱离化合物，成为一种新的hc60 cb11h6cl 6-。回答以下问题：(1)上述反应看起来很陌生，但反应类型可以与中学化学教科书中的化学反应之一相比较。(2)上述负离子cb11h6cl 6-结构可以与硼的20面体或闭合的纳米笼相比较，cb11h6cl 6-离子有穿过笼心的轴，具有结构特征，不能检测沿此轴旋转360/5度是否也能旋转。上述负离子通过在图10-1右侧的图表中添加原子(用元素符号表示)和短线(表示化学键)绘制。答案：(1)NH3 HCl=NH4Cl (2)参考图面：(注意：硼的氢-氯交换(如参考图)仍然正确，但上下c、b分别连接h和Cl，不允许交换。)，以获取详细信息追踪训练I .钼有氧酸根moxoy z-，其中x，y，z是正整数。Mo的氧化状态为6，o为-2。按照以下步骤，可以理解第一个图中所示的氧酸根的结构。(a)所有Mo原子的位数为6，形成mo6 n-，正八面体，“小八面体”(图a)；(B)六个“小八面体”公共边连接可以构成一个“八面体”(图B)。(c)两个超级八面体共享两个小八面体会创建补间(图c)。(d)如果从其中一个“补间八面体”中取出三个“小八面体”，则生成的“缺少补间”(图d)将删除此问题的MOX oy z-(图d中虚线的小八面体)。已回答列问题：1.小八面体的化学表达式moo 6 n-的n=超八面体的化学式是。双胞胎超八面体的化学式是。4.遗失的双胞胎超八面体的花型。其次，下图显示了具有代表性的最小重复单元PTC元件(热敏电阻)的主要成分钡钛晶体结构。通过x射线分析，该晶体被确定为正方形，边长a=403.1pm，顶点位置Ti4占，主体中心位置Ba2占，所有棱镜位置O2-占等。1.写晶体的化学式2.Ti4放在细胞体的心脏，Ba2放在细胞体的顶点，O2-立方体的什么位置？3.这种物质的晶体中，每个Ti4周围有多少个距离最近、距离相等的Ti4？空间中分布着什么形状？4.表示Ti4的氧气分配数和Ba2的氧气分配数O2-氧气配位说明6.已知O2-半径为140pm，计算Ti4半径和Ba2半径7.y2和O2-结合构成了什么类型的积累？8.计算晶体密度。三.黄铜矿是最重要的铜矿，世界上三分之二的铜都是由它提取的。请回答以下问题：右图为黄铜矿的结晶细胞。晶体细胞中各种原子的数量计算：Cu Fe S写了黄铜矿的化学式2.在高温下，黄铜矿晶体中的金属离子可能会移动。如果铁原子和铜原子完全无序地更换，也可以把它看作是同金属离子，那么就画一下它的立方吧。3.在无序的高温型结构中，硫原子是什么类型的积累？金属原子占什么样的空隙？这个间距被金属原子占据的分数是多少？黄铜矿晶体的密度计算(单位单元参数：a=52.4pm，c=103.0pm；相对原子量：Cu 63.5 Fe 55.84 S 32.06)4.CaCuX合金可以认为是交替累积排列的a，b两个原子层，如下图所示。a是由Cu和Ca组成的层，层中的Cu-Cu用实线连接。b完全由Cu原子