高中化学晶胞的计算试题

[化学--选修3：物质结构与性质]

研究发现，在 $\text{C}{\text{O}}_2$ 低压合成甲醇反应 $({\mathit{CO}}_2+3H_2={\mathit{CH}}_3\mathit{OH}+H_{2}O)$ 中， $\text{Co}$ 氧化物负载的 $\text{Mn}$ 氧化物纳米粒子催化剂具有高活性，显示出良好的应用前景。回答下列问题：

（1） $\text{Co}$ 基态原子核外电子排布式为________。元素 $\text{Mn}$ 与O中，第一电离能较大的是________，基态原子核外未成对电子数较多的是________。

（2） $\text{C}{\text{O}}_2$ 和 $\text{C}{\text{H}}_3\text{OH}$ 分子中 $C$ 原子的杂化形式分别为________和________。

（3）在 $\text{C}{\text{O}}_2$ 低压合成甲醇反应所涉及的4种物质中，沸点从高到低的顺序为________，原因是________。

（4）硝酸锰是制备上述反应催化剂的原料， $\text{Mn}({\mathit{NO}}_3{)}_2$ 中的化学键除了 $\sigma$ 键外，还存在________。

（5） $\text{MgO}$ 具有 $\text{NaCl}$ 型结构（如图），其中阴离子采用面心立方最密堆积方式， $X$ 射线衍射实验测得 $\text{MgO}$ 的晶胞参数为 $a=0.420\text{nm}$ ，则 $r(O^{2-})$ 为________ $\text{nm}$ 。 $\text{MnO}$ 也属于 $\text{NaCl}$ 型结构，晶胞参数为 $a\text{'}=0.448\text{nm}$ ，则 $r\left(\text{M}{\text{n}}^{2+}\right)$ 为________ $\text{nm}$ 。

【选修三：物质结构与性质】磷酸亚铁锂（ $LiFeP{O}_4$ ）可用作锂离子电池正极材料，具有热稳定性好、循环性能优良、安全性高等特点，文献报道可采用 $FeC{l}_3$ 、 $N{H}_4{H}_{2}P{O}_4$ 、 $LiCl$ 和苯胺等作为原料制备。回答下列问题：   

（1）在周期表中，与Li的化学性质最相似的邻族元素是________，该元素基态原子核外M层电子的自旋状态________（填"相同"或"相反"）。    

（2） $FeC{l}_3$ 中的化学键具有明显的共价性，蒸汽状态下以双聚分子存在的 $FeC{l}_3$ 的结构式为________，其中Fe的配位数为________。    

（3）苯胺 ）的晶体类型是________。苯胺与甲苯（ ）的相对分子质量相近，但苯胺的熔点（-5.9℃）、沸点（184.4℃）分别高于甲苯的熔点（-95.0℃）、沸点（110.6℃），原因是________。    

（4） $N{H}_4{H}_{2}P{O}_4$ 中，电负性最高的元素是________；P的________杂化轨道与O的2p轨道形成________键。    

（5） $N{H}_4{H}_{2}P{O}_4$ 和 $LiFeP{O}_4$ 属于简单磷酸盐，而直链的多磷酸盐则是一种复杂磷酸盐，如：焦磷酸钠、三磷酸钠等。焦磷酸根离子、三磷酸根离子如下图所示：

这类磷酸根离子的化学式可用通式表示为________（用 n代表P原子数）。

【选修三：物质结构与性质】

近年来我国科学家发现了一系列意义重大的铁系超导材料，其中一类为Fe−Sm−As−F−O组成的化合物。回答下列问题：

（1）元素As与N同族。预测As的氢化物分子的立体结构为________，其沸点比NH ₃的________（填"高"或"低"），其判断理由是________。    

（2）Fe成为阳离子时首先失去________轨道电子，Sm的价层电子排布式为4f ⁶6s ² ， Sm ³⁺的价层电子排布式为________。    

（3）比较离子半径：F ⁻________O ²⁻（填"大于"等于"或"小于"）。    

（4）一种四方结构的超导化合物的晶胞结构如图1所示，晶胞中Sm和As原子的投影位置如图2所示。

图中F ⁻和O ²⁻共同占据晶胞的上下底面位置，若两者的比例依次用 x和1− x代表，则该化合物的化学式表示为________，通过测定密度 ρ和晶胞参数，可以计算该物质的 x值，完成它们关系表达式： ρ=________g·cm ⁻³。

以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置，称作原子分数坐标，例如图1中原子1的坐标为( $\frac{1}{2}$ ， $\frac{1}{2}$ ， $\frac{1}{2}$ )，则原子2和3的坐标分别为________、________。

Li是最轻的固体金属，采用Li作为负极材料的电池具有小而轻，能量密度大等优良性能，得到广泛应用，回答下列问题:    

（1）下列Li原子电子排布图表示的状态中，能量最低和最高的分别为________、________。（填标号）

A．
B．
C．
D．

（2） $L{i}^{+}$ 与 $H^{-}$ 具有相同的电子构型， $r（L{i}^{+}）$ 小于 $r（H^{-}）$ ，原因是________。    

（3） $LiAl{H}_4$ 是有机合成中常用的还原剂， $LiAl{H}_4$ 中的阴离子空间构型是________。中心原子的杂化形式为________， $LiAl{H}_4$ 中，存在________（填标号）。

A．	离子键
B．	σ键
C．	π键
D．	氢键

（4） $L{i}_{2}O$ 是离子晶体,其晶格能可通过图(a)的 Born-Haber循环计算得到

可知,Li原子的第一电离能为________ $kJ·mo{l}^{-1}$ ， O=O键键能为________ $kJ·mo{l}^{-1}$ ， $L{i}_{2}O$ 晶格能为________ $kJ·mo{l}^{-1}$

（5） $L{i}_{2}O$ 具有反莹石结构,晶胞如图(b)所示。已知晶胞参数为0.4665mm,阿伏加德罗常数的值为 $N_A$ ,则 $L{i}_{2}O$ 的密度为 ________ $g/c{m}^3$ (列出计算式)。

钾和碘的相关化合物在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用．回答下列问题：

（1）元素K的焰色反应呈紫红色，其中紫色对应的辐射波长为nm（填标号）．

A．	404.4
B．	553.5
C．	589.2
D．	670.8
E．	766.5

（2）基态K原子中，核外电子占据的最高能层的符号是________，占据该能层电子的电子云轮廓图形状为________．K和Cr属于同一周期，且核外最外层电子构型相同，但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低，原因是________．

（3）X射线衍射测定等发现， $I_{3}As{F}_6$ 中存在 ${I_3}^{+}$ 离子． ${I_3}^{+}$ 离子的几何构型为________，中心原子的杂化类型为________．

（4） $KI{O}_3$ 晶体是一种性能良好的非线性光学材料，具有钙钛矿型的立体结构，边长为 $a=0.446\mathit{nm}$ ，晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置，如图所示．K与O间的最短距离为________nm，与K紧邻的O个数为________．

（5）在KIO ₃晶胞结构的另一种表示中，I处于各顶角位置，则K处于________位置，O处于________位置．

东晋《华阳国志•南中志》卷四中已有关于白铜的记载，云南镍白铜（铜镍合金）闻名中外，曾主要用于造币，亦可用于制作仿银饰品．回答下列问题：

（1）镍元素基态原子的电子排布式为________，3d能级上的未成对电子数为________．

（2）硫酸镍溶于氨水形成[Ni（NH ₃） ₆]SO ₄蓝色溶液．

①[Ni（NH ₃） ₆]SO ₄中阴离子的立体构型是________．

②在[Ni（NH ₃） ₆]SO ₄中Ni ²⁺与NH ₃之间形成的化学键称为________，提供孤电子对的成键原子是________．

③氨的沸点________（填"高于"或"低于"）膦（PH ₃），原因是________；氨是________分子（填"极性"或"非极性"），中心原子的轨道杂化类型为________．

（3）单质铜及镍都是由________键形成的晶体；元素铜与镍的第二电离能分别为：I _Cu=1 958kJ•mol ^{﹣ 1}、I _Ni=1 753kJ•mol ^{﹣ 1}，I _Cu＞I _Ni的原因是________．

（4）某镍白铜合金的立方晶胞结构如图所示

①晶胞中铜原子与镍原子的数量比为________．

②若合金的密度为d g•cm ^{﹣ 3}，晶胞参数a=________nm．

砷化镓（GaAs）是优良的半导体材料，可用于制作微型激光器或太阳能电池的材料等．回答下列问题：

（1）写出基态As原子的核外电子排布式________．

（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） $AsC{l}_3$ 分子的立体构型为________，其中As的杂化轨道类型为________．

（4） $Ga{F}_3$ 的熔点高于1000℃， $GaC{l}_3$ 的熔点为77.9℃，其原因是________．

（5）GaAs的熔点为1238℃，密度为 $\rho g•c{m}^{﹣3}$ ， 其晶胞结构如图所示．

该晶体的类型为________，Ga与As以________键键合．Ga和As的摩尔质量分别为 $M_{Ga}g•mo{l}^{﹣1}$ 和 $M_{As}g•mo{l}^{﹣1}$ ， 原子半径分别为 $r_{Ga}pm$ 和 $r_{As}pm$ ，阿伏伽德罗常数值为 $N_A$ ，则GaAs晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为________．

［化学--选修3：物质结构与性质］

在普通铝中加入少量 $\mathit{Cu}$ 和 $\mathit{Mg}$ 后，形成一种称为拉维斯相的 $\mathit{Mg}{\mathit{Cu}}_2$ 微小晶粒，其分散在 $\mathit{Al}$ 中可使得铝材的硬度增加、延展性减小，形成所谓"坚铝"，是制造飞机的主要村料。回答下列问题：

（1）下列状态的镁中，电离最外层一个电子所需能量最大的是(填标号)。

A. $\left[\mathit{Ne}\right]\genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{}\mathrm{eq}\mathrm{o}\mathrm{ac}(\mathrm{○},\uparrow )}{3s}$   B. $\left[\mathit{Ne}\right]\genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{}\mathrm{eq}\mathrm{o}\mathrm{ac}(\mathrm{○},\uparrow )\mathrm{}\mathrm{eq}\mathrm{o}\mathrm{ac}(\mathrm{○},\downarrow )}{3s}$       C. $\left[\mathit{Ne}\right]\genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{}\mathrm{eq}\mathrm{o}\mathrm{ac}(\mathrm{○},\uparrow )}{3s}\genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{}\mathrm{eq}\mathrm{o}\mathrm{ac}(\mathrm{○},\uparrow )}{3p}$    D. $\left[\mathit{Ne}\right]\genfrac{}{}{0pt}{}{\mathrm{}\mathrm{eq}\mathrm{o}\mathrm{ac}(\mathrm{○},\uparrow )}{3p}$

（2）乙二胺 $\left(H_2\mathit{NC}{H}_{2}C{H}_{2}N{H}_2\right)$ 是一种有机化合物，分子中氮、碳的杂化类型分别是 、 。乙二胺能与Mg2+、Cu2+等金属离子形成稳定环状离子，其原因是，其中与乙二胺形成的化合物稳定性相对较高的是(填" ${\mathit{Mg}}^{2+}$ "或" ${\mathit{Cu}}^{2+}$ ")。

（3）一些氧化物的熔点如下表所示：

氧化物	${\mathit{Li}}_{2}O$	$\mathit{MgO}$	$P_4{O}_6$	${\mathit{SO}}_2$
熔点/°C	$1570$	$2800$	$23.8$	$-75.5$

解释表中氧化物之间熔点差异的原因 。

（4）图(a)是 $\mathit{Mg}{\mathit{Cu}}_2$ 的拉维斯结构， $\mathit{Mg}$ 以金刚石方式堆积，八面体空隙和半数的四面体空隙中，填入以四面体方式排列的 $\mathit{Cu}$ 。图(b)是沿立方格子对角面取得的截图。可见， $\mathit{Cu}$ 原子之间最短距离 $x=$ $\mathit{pm}$ ， $\mathit{Mg}$ 原子之间最短距离 $y=$ $\mathit{pm}$ 。设阿伏加德罗常数的值为 $N_A$ ，则 $\mathit{Mg}{\mathit{Cu}}_2$ 的密度是 $g·{\mathit{cm}}^{-3}$ (列出计算表达式)。

[化学一一选修3: 物质结构与性质]

锗（Ge）是典型的半导体元素，在电子、材料等领域应用广泛。回答下列问题:

(1) 基态 Ge 原子的核外电子排布式为[Ar]                     ，有             个末成对电子。

(2) Ge 与 C 是同族元素, $\mathrm{C}$ 原子之间可以形成双键、叁键, 但 $\mathrm{Ge}$ 原子之间难以形成双键或 叁键。从原子结构角度分析，原因是                           。

（3）比较下列锗卤化物的熔点和沸点, 分析其变化规律及原因       。

	${\mathrm{GeCl}}_4$	${\mathrm{GeBr}}_4$	${\mathrm{Gel}}_4$
熔点/ ${}^{\circ }\mathrm{C}$	$-49.5$	26	146
沸点/ ${}^{\circ }\mathrm{C}$	$83.1$	186	约 400

(4) 光催化还原 ${\mathrm{CO}}_2$ 制备 ${\mathrm{CH}}_4$ 反应中，带状纳米 ${\mathrm{Zn}}_2{\mathrm{GeO}}_4$ 是该反应的良好催化剂。 $\mathrm{Zn}$ 、Ge、O 电负性由大至小的顺序是            。

(5) Ge 单晶具有金刚石型结构, 其中 $\mathrm{Ge}$ 原子的杂化方式为_        , 微粒之间存在的作用力是_          。

（6）晶胞有两个基本要素：

①原子坐标参数, 表示晶胞内部各原子的相对位置, 下图为 Ge 单晶的晶胞, 其中原子坐标参数 $\mathrm{A}$ 为 $\left(0\mathrm{，}0\mathrm{，}0\right)\mathrm{；}\mathrm{B}$ 为 $\left(\frac{1}{2}\mathrm{，}0\mathrm{，}\frac{1}{2}\right)\mathrm{；}\mathrm{C}$ 为 $\left(\frac{1}{2}\mathrm{，}\frac{1}{2}\mathrm{，}0\right)$ 。则 $\mathrm{D}$ 原子的坐标参数为    。

②晶胞参数, 描述晶胞的大小和形状，已知 Ge 单晶的晶胞参数 $a=565.76\mathrm{pm}$, 其密度为    $\mathrm{g}\cdot {\mathrm{cm}}^{-3}$ (列出计算式即可)。

过渡金属元素铬 $（\mathit{Cr}）$ 是不锈钢的重要成分，在工农业生产和国防建设中有着广泛应用。回答下列问题：

（1）对于基态 $\mathit{Cr}$ 原子，下列叙述正确的是 　　（填标号）。

A．轨道处于半充满时体系总能量低，核外电子排布应为 $\left[\mathit{Ar}\right]3d^{5}4s^1$

B． $4s$ 电子能量较高，总是在比 $3s$ 电子离核更远的地方运动

C．电负性比钾高，原子对键合电子的吸引力比钾大

（2）三价铬离子能形成多种配位化合物。 $[\mathit{Cr}（N{H}_3{）}_3（H_{2}O{）}_2\mathit{Cl}{]}^{2+}$ 中提供电子对形成配位键的原子是 　　，中心离子的配位数为 　　。

（3） $[\mathit{Cr}（N{H}_3{）}_3（H_{2}O{）}_2\mathit{Cl}{]}^{2+}$ 中配体分子 $N{H}_3$ 、 $H_{2}O$ 以及分子 $P{H}_3$ 的空间结构和相应的键角如图所示。

$P{H}_3$ 中 $P$ 的杂化类型是 　　    。 $N{H}_3$ 的沸点比 $P{H}_3$ 的 　　 ，原因是 　　    。 $H_{2}O$ 的键角小于 $N{H}_3$ 的，分析原因 　         　。

（4）在金属材料中添加 $\mathit{AlC}{r}_2$ 颗粒，可以增强材料的耐腐蚀性、硬度和机械性能。 $\mathit{AlC}{r}_2$ 具有体心四方结构，如图所示。处于顶角位置的是 　　原子。设 $\mathit{Cr}$ 和 $\mathit{Al}$ 原子半径分别为 $r_{\mathit{Cr}}$ 和 $r_{\mathit{Al}}$ ，则金属原子空间占有率为 　       　%（列出计算表达式）。

CdSnAs₂是一种高迁移率的新型热电材料，回答下列问题：

（1）Sn为ⅣA族元素，单质Sn与干燥Cl₂反应生成SnCl₄．常温常压下SnCl₄为无色液体，SnCl₄空间构型为　 　，其固体的晶体类型为　 　。

（2）NH₃、PH₃、AsH₃的沸点由高到低的顺序为　 　 （ 填化学式，下同），还原性由强到弱的顺序为　 　，键角由大到小的顺序为　　。

（3）含有多个配位原子的配体与同一中心离子（或原子）通过螯合配位成环而形成的配合物为螯合物。一种Cd²⁺配合物的结构如图所示，1mol该配合物中通过螯合作用形成的配位键有　　 mol，该螯合物中N的杂化方式有　　种。

（4）以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置，称作原子的分数坐标。四方晶系CdSnAs₂的晶胞结构如图所示，晶胞棱边夹角均为90°，晶胞中部分原子的分数坐标如下表所示。

坐标 原子	x	y	z
Cd	0	0	0
Sn	0	0	0.5
As	0.25	0.25	0.125

一个晶胞中有　　 个Sn，找出距离Cd（0，0，0）最近的Sn　　（ 用分数坐标表示）。CdSnAs₂晶体中与单个Sn键合的As有　　个。

氨硼烷（NH ₃BH ₃）含氢量高、热稳定性好，是一种具有潜力的固体储氢材料。回答下列问题：

（1）H、B、N中，原子半径最大的是 　 　。根据对角线规则，B的一些化学性质与元素 　　的相似。

（2）NH ₃BH ₃分子中，N﹣B化学键称为 　　键，其电子对由 　 　提供。氨硼烷在催化剂作用下水解释放氢气：

3NH ₃BH ₃+6H ₂O═3NH ₄ ⁺+B ₃O ₆ ^{3 ﹣}+9H ₂

B ₃O ₆ ^{3 ﹣}的结构为 ．在该反应中，B原子的杂化轨道类型由 　　变为 　　。

（3）NH ₃BH ₃分子中，与N原子相连的H呈正电性（H ^{δ +}），与B原子相连的H呈负电性（H ^δ﹣），电负性大小顺序是 　　。与NH ₃BH ₃原子总数相等的等电子体是 　　（写分子式），其熔点比NH ₃BH ₃ 　　（填"高"或"低"），原因是在NH ₃BH ₃分子之间，存在 　   作用，也称"双氢键"。

（4）研究发现，氨硼烷在低温高压条件下为正交晶系结构，晶胞参数分别为apm、bpm、cpm，α＝β＝γ＝90°．氨硼烷的2×2×2超晶胞结构如图所示。氨硼烷晶体的密度ρ＝ 　　g•cm ^{﹣ 3}（列出计算式，设N _A为阿伏加德罗常数的值）。

Goodenough等人因在锂离子电池及钴酸锂、磷酸铁锂等正极材料研究方面的卓越贡献而获得2019年诺贝尔化学奖。回答下列问题：

（1）基态Fe ²⁺与Fe ³⁺离子中未成对的电子数之比为 　 　。

（2）Li及其周期表中相邻元素的第一电离能（I ₁）如表所示。I ₁（Li）＞I ₁（Na），原因是 　 　。 I ₁（Be）＞I ₁（B）＞I ₁（Li），原因是 　。

I 1/（kJ•mol ^﹣ ^1）
Li 520	Be 900	B 801
Na 496	Mg 738	Al 578

（3）磷酸根离子的空间构型为 　 　，其中P的价层电子对数为 　 　、杂化轨道类型为 　 　。

（4）LiFePO ₄的晶胞结构示意图如（a）所示。其中O围绕Fe和P分别形成正八面体和正四面体，它们通过共顶点、共棱形成空间链结构。每个晶胞中含有LiFePO ₄的单元数有 　 　个。

电池充电时，LiFePO ₄脱出部分Li ⁺，形成Li _{1 ﹣ x}FePO ₄，结构示意图如（b）所示，则x＝ 　　，n（Fe ²⁺）：n（Fe ³⁺）＝ 　 　。