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浅谈有关晶体结构的分析和计算.doc

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浅谈有关晶体结构的分析和计算

摘要:晶体结构的分析和计算是历年全国高考化学试卷中三个选做题之一,本文从晶体结构的粒子数和化学式的确定,晶体中化学键数的确定和晶体的空间结构的计算等方面,探讨有关晶体结构的分析和计算的必要性。

关键词:晶体、结构、计算、晶胞

在全国统一高考化学试卷中,有三个题目是现行中学化学教材中选学内容,它们分别《化学与生活》、《有机化学基础》和《物质结构与性质》。虽然三个题目在高考时只需选做一题,由于是选学内容,学生对选学内容往往重视不够,所以在高考时学生对这部分题目得分不够理想。笔者对有关晶体结构的分析和计算进行简单的归纳总结,或许对学生学习有关晶体结构分析和计算有所帮助,若有不妥这处,敬请同仁批评指正。

一、有关晶体结构的粒子数和化学式确定

(一)、常见晶体结构的类型

1、原子晶体

(1)金刚石晶体中微粒分布:

①、每个碳原子与4个碳原子以共价键结合,形成正四面体结构。

②、键角均为109°28′。

③、最小碳环由6个碳组成并且六个碳原子不在同一平面内。

④、每个碳原子参与4条C-C键的形成,碳原子与C-C键之比为1:2。

(2)二氧化硅晶体中微粒分布

①、每个硅原子与4个氧原子以共价键结合,形成正四面体结构。

②、每个正四面体占有1个Si,4个“氧”,n(Si):n(O)=1:2。

③、最小环上有12个原子,即:6个氧原子和6个硅原子.

2、分子晶体:干冰(CO2)晶体中微粒分布

①、8个CO2分子构成立方体并且在6个面心又各占据1个CO2分子。

②、每个CO2分子周围等距离紧邻的CO2分子有12个。

3、离子晶体

(1)、NaCl型晶体中微粒分布

①、每个Na+(Cl-)周围等距离且紧邻的Cl-(Na+)有6个。每个Na+周围等距离紧邻的Na+有12个。

②、每个晶胞中含4个Na+和4个Cl-。

(2)、CsCl型晶体中微粒分布

①、每个Cs+周围等距离且紧邻的Cl-有8个,每个Cs+(Cl-)周围等距离且紧邻的Cs+(Cl-)有6个。

②、如图为8个晶胞,每个晶胞中含有1个Cs+和1个Cl-。

3、金属晶体

(1)、简单立方晶胞:典型代表Po,空间利用率52%,配位数为6

(2)、体心立方晶胞(钾型):典型代表Na、K、Fe,空间利用率60%,配位数为8。

(3)、六方最密堆积(镁型):典型代表Mg、Zn、Ti,空间利用率74%,配位数为12。

②、求晶胞质量:m==

③、计算立方体的体积:ρ==

由:ρ==可知:ρ==

解得:a=?cm又因为r=a?所以r=cm

答案:(1)4?8?XY2或Y2X(2)12?(3)109°28′(4)

二、晶体中化学键数的确定

在中学化学中计算化学键数目的物质常见的是金刚石、二氧化硅、C60、C20和石墨。

1、金刚石晶体:C原子最外层有4个电子,可以形成4对共价键,但每对共价键都与另一个C原子共用,所以要乘以,就得到共价键数目了;故1mol金刚石有2mol共价键。

2、二氧化硅晶体:SiO2晶体中的基本结构单元是硅氧四面体[SiO4]。在硅氧四面体中,Si原子位于四面体的中心,4个O原子分别位于四面体的4个顶点,形成4个Si-O键。每一个硅氧四面体以共用顶点O原子的方式和相邻的4个硅氧四面体连接,由此形成SiO2晶体。因此,在SiO2晶体中,每一个Si原子和周围的氧原子形成4个Si-O键,而相邻Si原子之间则通过O原子相连,即Si-O-Si。所以,1molSiO2晶体中含有4molSi-O键。

3、C60是单质家族中的新成员,已知每个碳原子与其他三个碳原子相连。请根据碳的成键方式计算C60分子中存在_____条C-C单键,_____条C=C双键。

解析:碳原子的成键方式:每个碳原子通过4条共价键与其它原子成键。其成键方式如图2-1所示:

图2-1由图2-1可以看出:每个C—C单键为2个碳原子所拥有,故每个碳原子占有

图2-1

2×=1条CC单键,分子中共有1×60=60条C—C单键;每个C=C双2个原

子拥有,故每个碳原子占有1×=条C=C双键,分子中共有×60=30条C=C双键。

4、德国和美国科学家首先制出由20个碳原子组成的空心笼状分子C20,该笼状结构是由许

多正五边形构成如图2-2所示.

图2-2①C20分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键;

②多面体的顶点数、面数和棱边数的关系,

图2-2

遵循欧拉定理:顶点数+面数-棱边数=2,

请回答:C20分子共有______个正五边

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