竞赛试题中晶体结构的空隙问题.docx

化学教育2013年第6期竞赛试题中晶体结构的空隙问题丁萍+田益民(江苏省姜堰中学225500)摘要 全国高中生化学竞赛试题十分重视晶体结构的考查，以填隙的视角认识晶体结构有助 于竞赛选手正确理解某些晶胞的结构特点；堆积球中空隙的形状、位置和分布特征对认识晶体的 结构和性质均十分重要。关键词化学竞赛试题晶体结构填隙晶体空隙高中化学教材介绍了典型晶体的晶胞、金属晶●9●●●体的原子堆积模型、离子晶体中离子的配位数及其一··摹萏言簸●●●●—堡皇堕决定因素。苏教版教材还展示了二维密置层中2种00●●不同类型的三角形空隙以及面心立方晶胞中四面体●●●。●●cu的晶胞空隙和八面体空隙，这些内容是竞赛选手深入研究隧奏晶体结构中空隙的重要铺垫。一一●◆1基于典型晶胞感悟空隙问题●1．1理论依据●一◆}。●I●●一◆以面心立方晶胞为例认识四面体空隙和八面体■T【I◆，I。● ●一◆．_T●，●一◆≯一一≯一一_丫Jl◆_}}◆空隙(见图1[1])，晶胞中堆积球所处位置为顶点图2部分面心立方晶体的晶胞和面心，实际占有球数一8×(1／8)4-6×(1／2)一4；】重屡和威屡中层堆积球形成的四面体空隙共8个，由晶胞顶点与该顶点所在3个面的面心构成；八面体空隙占有数目．并．≯：．b一{强j『．．秘一12×(1／4)+1—4，分别处于晶胞的棱心和体心，‘孓：酣I在面心立方晶胞中，堆积球数：四面体空隙数：八ta)t．b JLc)ob 0№面体空隙数一4：8：4—1：2：1，在此基础上可联个，并请在图a中标出；和“▲”同类的四面体空系认识一些典型晶胞(图2)。隙有——个，并请在图b中标出。画图●堆积球X四面体空隙△八画体守隙【分析1 LaNi。是CaCu。型结构，顶层(或底层)由La和Ni共同构成，中层完全由Ni构成， 其习用晶胞及平行交替的2层结构见图3[2]。晶胞 中共有3个变形八面体空隙(见图4)，每个空隙 由2个La原子和4个Ni原子构成，其构成有2种方式：空隙1位于顶层和底层的棱心，由棱心所在图1面心立方晶胞中的空隙棱的2个La原子及此棱所在的4个面各提供1个1．2竞赛选例Ni原子构成；空隙2位于顶层和底层的面心，由【例1】(2007年江苏省赛区夏令营选拔赛试题同层2个La原子和2个Ni原子以及该层邻近的第10题)上、下层的中心处的Ni原子构成，因此晶胞中占研究发现LaNis是一种很好的储氢合金，La—有八面体空隙数目为8×1／4 4-2×1／2----3个。Ni。属六方晶系(图c)，储氢位置有2种，分别是晶胞中四面体空隙(见图4)有2种形式：空 八面体空隙(“■”)和四面体空隙(“▲”)，见图隙3由处于晶胞垂直方向的棱的2个La原子和晶a、b，这些就是氢原子存储处。晶胞中和“■”同类的八面体空隙有——胞体心的Ni原子以及位于中层四边形的顶心的Ni*通讯联系人，E-mail：xiaodp2000@sina．com万方数据2n13年第6期化学教育充第一密置层(记作A层)的三角形空隙上(见么 Ij 莎一 7二 圆图5 E。3)，仅有半数的三角形空隙放进了球，而另rl、●O- 洪 -O、 ，＼，一半空隙上方是B层的三角形空隙。密置双层必●●八、-O—_c■—b孓5 ≯刀然形成2种空隙类型，B层的3个相切的球与其三z二5角形空穴上A层的一个球组成四面体空隙，A层图3 LaNi5的晶胞及平行交替的两层结构的3个相切的球与B层的3个相切的球组成八面体空隙Ⅲ。晶品圉5蓄萱层单层lAJ堆积放牧层lAB)堆积个La若在两层密置层的空隙中填充其他原子，四面 构成，体空隙的位置恰好与A层堆积方式相同，八面体空隙中的位置恰好为A层剩余的三角形空隙上方， 这种位置与面心立方堆积的第3层堆积C层位置 一致。2．2竞赛选例【例21(2007年全国高中学生化学竞赛(省级 赛区)试题第3题)X一射线衍射实验表明，某无水MgClz晶体属1．3思考启示三方晶系，呈层型结构，氯离子采取立方最密堆积竞赛试题中的空隙问题是考查学生对多面体的理解，要求竞赛选手发挥空间想象能力建构多面体(ccp)，镁离子填满同层的八面体空隙；晶体沿垂结构，而不是机械记忆晶胞中空隙的位置，初学选直于氯离子密置层的投影图如下。手需要以填隙的方式研究典型的离子化合物晶胞结构，并在此基础上对其他类型的晶胞做针对性研究囝C1一o CI一二：：CI一·M矿+(见表1)。表1典型的离子化合物晶胞结构以“口”表示空层，A、B、C表示Cl离子堆积方式填充层，a、b、c表示M92+离子层，给出该三方层型空隙类型简单立方(scp) 面心立方(ccp) 简单六方(hcp)室结构的堆积方式。CsCl立方体空隙 100％【分析】本题给出了Cl一密置层的投影图，由 NaClNiAs 八面体空隙 100％该图可以看出Cl符合面心