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高中化学竞赛辅导化学键与分子结构测试


化学键分子结构与晶体结构

化 学 竞 赛 辅 导 测 试 题
第一题: 第一题 人造元素丰收年,一年间得到第 114、116 和 118 号三个新元素。按已知

的原子结构规律,118 号元素应是第__ 第__族元素,它的单质在常温常压下最 可能呈现的状态是__(气、液、固选一填入)态。近日传闻俄国合成了第 166 号元素,若已知原子结构规律不变,该元素应是第__周期第____族元素。

第二题 金属多卤化物中一般没有 F 离子,但少数一些含有 F 离子的多卤化物可以稳定存 在,BaFBr 就是一例。在 BaFBr 晶体的四方晶胞(a=b≠c,α=β=γ=90°)中, Ba 离子占据晶胞的体心附近与顶点的位置,F 离子在晶体中构成一层层正方形网 格, Br 离子可看作构成类似 F 离子的网格, 不同的是 Br 离子是 ABAB 型堆积的。 问: 1、你认为金属多卤化物中一般没有 F 离子的主要原因是什么:

2、在右边的框中画出 BaFBr 的晶胞: 3、晶体中同种离子的空间环境是否均相同? 是否相同____ 分析:

4、F、Br 离子的阳离子配位数分别为多少: ___________________________________

第三题(18 分)碳化硅(SiC)俗名“金刚砂” ,有类 似金刚石的结构和性质。 其空间结构中碳硅原子相间排列,

○ 。 右图所示为碳化硅的晶胞 (其中●为碳原子, 为硅原子) - 已知:碳原子半径为 7.7×10 11m,硅原子半径为 1.17×10 -10 m,SiC 晶体密度为 3.217g/cm3) 1. 是 SiC 晶体, 硅原子杂化类型都是 碳、 , 键角都是 ,三个碳原子和三个硅原子相间构成一 个 式(船、椅)六元环。 2.如右图所示碳化硅晶胞,从立方体对角线的视角观察,画出一维空间上碳、硅原子
1

的分布规律(注意原子的比例大小和相对位置,至少画两个周期)

3.从与对角线垂直的平面上观察一层碳原子的分布,请在二维平面是画出碳原子的分 ; 布规律(用●表示,至少画 15 个原子,假设片层碳原子间分别相切)

计算二维空间上原子数、切点数和空隙数的比例关系 再考虑该片层结构的上下各与其相邻的两个碳原子片层。 这两个碳原子的片层将投影在 所画片层的 (原子、切点、空隙)上,且这两个片层的碳原子 (相对、相 错) 4.如果我们以一个硅原子为中心考虑,设 SiC 晶体中硅原子与其最近的碳原子的最近 距离为 d,则与硅原子次近的第二层有 个原子,离中心原子的距离是 ,它们 都是 原子。

5.如果我们假设碳、硅原子是刚性小球,在晶体中彼此相切,请根据碳、硅原子半径 计算 SiC 的密度,再根据理论值计算偏差,并对产生偏差的原因作一合理解释。

6.估算 SiC 晶体的原子占据整个空间的百分数,只需给出一个在 5%以内的区间。

第四题. 分) (6 金属铌能与卤素形成簇状化合物, 下图所示为三种 NbaXb 的结构单元。 它们的共同特点 是六个 Nb 原子形成八面体骨架,卤原子通过双桥基(-X-)或三桥基( 子相连,结构单元之间通过双桥基相连。请据图写出以下三个物质的化学式: )与 Nb 原

2

第五题. 分) (9 阅读①②③有关光合作用与葡萄糖的材料,回答下问题: ①.光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢,生物体生命活动所需的有机物与 能量,从根本上说都来自光合作用。在绿色植物光合作用中,每放出一个氧分子要吸收 8 个 - - 波长为 6.88×10 7m 的光子(一个光子的能量为 E=hc/λ,h=6.63×10 34J·s) ,同时每放出 1mol O2,植物储存 469kJ 能量。 ②.糖是体内的主要能源,人体所需的各种热量,70%由糖类提供。理论上,每摩尔葡 萄糖在体内完全氧化时,释放的热量为 2872kJ。葡萄糖完全氧化分解时的能量变化方程式 为: C6H12O6+6O2+38H3PO4+38ADP→6CO2+44H2O+38ATP ATP+H2O→ADP+H3PO4+30.6kJ ③.假想把光合作用的逆过程设计成原电池,在一个电极上把 O2 还原成水,而在另一 个电极上把葡萄糖氧化成 CO2,该原电池的电动势为 1.24V。 1.估算光合作用中绿色植物的能量转换效率 (保留 3 位有效数字)

2.人体内葡萄糖完全氧化分解时,能量的利用率为

(保留 3 位有效数字)

3.写出原电池正负极的电极反应式和总反应式。

第六题(6 分) 在极性分子中,正电荷重心同负电荷重心间的距离称偶极长,通常用 d 表示。极性分子 的极性强弱同偶极长和正(或负)电荷重心的电量(q)有关,一般用偶极矩(μ)来衡量。 分子的偶极矩定义为偶极长和偶极上一端电荷电量的乘积,即μ=d·q。试回答以下问题: 1.O3、SF6、CH2Cl2、P4O6 4 种分子中μ=0 的是 ;

2.对硝基氯苯、邻硝基氯苯、间硝基氯苯,3 种分子的偶极矩由大到小的排列顺序 是: ; 3.实验测得:μPF3=1.03 德拜、μBCl3=0 德拜。由此可知,PF3 分子是 构型,

3

BC13 分子是

构型。

4.治癌药 Pt(NH3)2Cl2 具有平面四边形结构,Pt 处在四边形中心,NH3 和 Cl 分别处在 四边形的 4 个角上。已知该化合物有两种异构体,棕黄色者μ>0,淡黄色者μ=0。试画出 两种异构体的构型图,并比较在水中的溶解度。 构型图:淡黄色 ,棕黄色 ;在水中溶解度较大的是 。

第七题(12 分) - - 1.叠氮离子 N3 经由氨基钠与 NO3 离子或 N2O 在一定温度下合成,试写出这些反应 的离子方程式; 2.N3 离子中 N 的氧化数为多少?其中氮原子(中心)采取何种杂化类型?写出两种 - 与 N3 离子是等电子体的物种; 3.HN3(叠氮酸)有哪些可能的共振结构?标明每个共振结构中所有原子的形式电荷。 讨论 HN3 分子中三个氮原子之间键长的长短;


4.离子型叠氮化物是不稳定的,但它可以在室温下进行操作,可以作为机动车的“空 气袋” ,为什么?

5.氮气的大规模制备是通过分馏液态空气来实现。随着氮气的大量使用,仍然促使人 们建立某种比空气液化和分馏法成本更低的制备工艺。 请你设想在室温下由空气分离氮气和 氧气的方法(加上必要的说明) 。

第八题. (19 分)某同学在学习等径球最密堆积(立方最密堆积 A1 和六方最密堆积 A3) 后,提出了另一种最密堆积形式 Ax。如右图所示为 Ax 堆积的片层形式,然后第二层就堆积 在第一层的空隙上。请根据 Ax 的堆积形式回答: 1. 计算在片层结构中(如右图所示)球数、 2. 空隙数和切点数之比

4

2. Ax 堆积中将会形成正八面体空隙和正四面体空隙。 在 请在片层图中画出正八面体空 隙(用·表示)和正四面体空隙(用×表示)的投影,并确定球数、正八面体空隙数和正四 面体空隙数之比

3.指出 Ax 堆积中小球的配位数 4.计算 Ax 堆积的原子空间利用率。

5.计算正八面体和正四面体空隙半径(可填充小球的最大半径,设等径小球的半径为 r) 。

6. 已知金属 Ni 晶体结构为 Ax 堆积形式, 原子半径为 124.6pm, Ni 计算金属 Ni 的密度。 (Ni 的相对原子质量为 58.70)

7.如果 CuH 晶体中 Cu 的堆积形式为 Ax 型,H 填充在空隙中,且配位数是 4。则 H 填充的是哪一类空隙,占有率是多少?







8.当该同学将这种 Ax 堆积形式告诉老师时,老师说 Ax 就是 A1 或 A3 的某一种。你认 为是哪一种,为什么? 第九题:NO2 是一奇电子分子, 413K 以下能二聚成无色的抗磁性气体 N2O4, 在 超过 423K 时,NO2 发生分解。N2O4 被用作第一艘登月飞船的液体推进系统中的氧化剂,其主要燃料 是肼。N2O4 仅在固态时是纯净物质,其熔点为 264K,沸点为 294K。X 射线衍射分析结果 表明:N2O4 分子是平面状结构,且所有的 N—O 键长都相等。当 N2O4 为液态时,能够微弱 地解离生成硝酸亚硝酰盐。 1.写出 N2O4 在登月飞船的液体推进系统中所发生主要反应的方程式;

2.说明 N2O4 分子中 N 原子的杂化方式和成键情况;N2H4 分子是否与 N2O4 具有类似 的空间构型,为什么。

3. 将铜溶于乙酸乙酯的 N2O4 溶液中可制得无水硝酸铜, 写出这个制备反应的化学方程 式。

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第一题答案: 七; 零; 气; 八; VIA 第二题 金属多卤化物中一般没有 F 离子,但少数一些含有 F 离子的多卤化物可以稳定存 在,BaFBr 就是一例。在 BaFBr 晶体的四方晶胞(a=b≠c,α=β=γ=90°)中, Ba 离子占据晶胞的体心附近与顶点的位置,F 离子在晶体中构成一层层正方形网 格, Br 离子可看作构成类似 F 离子的网格, 不同的是 Br 离子是 ABAB 型堆积的。 问: 1、你认为金属多卤化物中一般没有 F 离子的主要原因是什么: 氟化物的晶格能很大,互卤化物通常极易分解为氟化物。如二氯氟化铯会自发 分解为氟化铯和氯气。(2 分) 2、在右边的框中画出 BaFBr 的晶胞:(4 分) 3、晶体中同种离子的空间环境是否均相同? 是否相同:各有两种不同的环境。(2 分) 分析:把其中一种离子上下翻转 180°才与另 一种离子的环境相同。 (只要表述清楚均可给分)(2 分) (另注:体心的 Ba 离子与五个 Br 离子的距离 是一样的。 )

4、F、Br 离子的阳离子配位数分别为多少: F 离子为 4,Br 离子为 5(各 2 分) 第三题 1.原子 sp3 109°28’ 椅(各 0.5 分) 2. (空隙长度等于碳、硅原子直径和) (2 分) 3. 如右图所示, 一个碳原子周围是六个碳原子 (2 分) 1 ︰3︰2(1 分) 空隙 相错(1 分) 4.12 2 6 d/3 硅(各 1 分) 5.晶胞质量为 4×(12.01+28.09)/NA g, 8 3 3 晶胞体积为[(1.17+0.77)×10- ×4/ 3 ] cm , 密度为 2.96(2 分) 偏差:(2.96-3.217)/3.217=-7.94%(数据可以有偏离,但应给出负号) 分) (1 密度偏小,说明实际晶胞体积比计算值小,即碳、硅原子间的距离应比两个半径小,实 际上碳、硅原子间有共价键作用,而不能假设成相切(是相交)(2 分) 。 6. 38.3%~41.7%(利用原子体积与晶胞体积之比) 四题.Nb6F15 Nb6Cl14 Nb6I11(各 2 分) 五题.1.33.7%(3 分) 2.40.5%(3 分) 3.正极 O2+4H++4e→2H2O(1 分)
6

负极 C6H12O6+6H2O―24e→6CO2+24H+ (1 分) 总反应 C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O(1 分) 六题 1.SF6、P4O6(2 分,多一个或漏一个各扣 1 分) 2.邻>间>对(1 分) 3.三角锥形 平面三角形(1 分) 4.
- -

(1 分) 棕黄色者(1 分)
- - - - -

七题:1.3NH2 +NO3 =N3 +3OH +NH3;2NH2 +N2O=N3 +OH +NH3(3 分, 产物中有 H2O,无 NH3 扣 1 分) - - 2. 3 中 N 的氧化数为-1/3, 原子均采取 sp 杂化。 3 的等电子体物种如 CO2、 2O、 N N N N + (3 NO2 。 分) 3.HN3:按稀有气体结构计算各原子最外层电子数之和 n0=2+3×8=26,而各原子价 电子数之和 nv=1+3×5=16,故成键数为(26-16)/2=5,孤对电子的对数为(16-5×2)/2 =3(对) HN3 的共振结构(如右图) 。 : 由于 N(a)-N(b)键级为 1.5, N(b)- 而 N(c)键级为 2.5,故 N(a)-N(b)的键长 (3 要比 N(a)一 N(c)的长。 分) 4.离子型叠氮化物虽然可以在室温下存在,但在加热或撞击时分解为氮气和金属(不 爆炸) ,故可作为“空气袋”(1 分) 。 5.可用物理吸附法或化学反应法,如用分子筛吸附氧;用合成载氧体吸氧或用乙基蒽 醇与氧反应生成 H2O2 等,随后再放出氧。 分,方法 1 分,说明 1 分,答出一类即可) (2 八题.1.1:1:2(2 分) 一个球参与四个空隙,一个空隙由四个球围成;一个球参与四个切点,一个切点由二个 球共用。 2.图略,正八面体中心投影为平面◇空隙中心,正四面体中心投影为平面切点 1:1:2(2 分) 一个球参与六个正八面体空隙, 一个正八面体空隙由四个球围成; 一个球参与八个正四 面体空隙,一个正四面体空隙由四个球围成。 3.小球的配位数为 12(1 分) 平面已配位 4 个,中心球周围的四个空隙上下各堆积 4 个,共 12 个。 4.74.05%(3 分) 以 4 个相邻小球中心构成底面, 空隙上小球的中心为上底面的中心构成正四棱柱, 设小 球半径为 r,则正四棱柱边长为 2r,高为 2 r,共包括 1 个小球(4 个 1/4,1 个 1/2) ,空间 利用率为

(2r )2

4πr 3 / 3 2r

5.正八面体空隙为 0.414r,正四面体空隙为 0.225r。 分) (4 3 6.8.91g/cm (3 分) - 根据第 4 题,正四棱柱质量为 58.70/NAg,体积为 1.094×10 23cm3。 - 7.H 填充在正四面体空隙,占有率为 50%(2 分) 正四面体为 4 配位,正八面体为 6 配位,且正四面体空隙数为小球数的 2 倍。

7

8.Ax 就是 A1,取一个中心小球周围的 4 个小球的中心为顶点构成正方形,然后上面再 取两层, 就是顶点面心的堆积形式。 底面一层和第三层中心小球是面心, 周围四小球是顶点, 第二层四小球(四个空隙上)是侧面心。 分) (2 也可以以相邻四小球为正方形边的中点(顶点为正八面体空隙) ,再取两层,构成与上 面同样大小的正方体,小球位于体心和棱心,实际上与顶点面心差 1/2 单位。 九.1.N2O4+2N2H4===3N2+4H2O 2.N2O4 中 N 采取 sp2 杂化,5 个σ键(一个 N—N 键,4 个 N—H 键) ,一个 Π8 键。 6 N2H4 分子中 N 原子 sp3 杂化,6 个原子不可能共平面。 3.Cu+2N2O4===Cu(NO3)2+2NO↑ + - + NO +NO3 ,Cu 与 N2O4 反应失电子给 NO ,放生成 NO 和 N2O4 自偶电离 N2O4 Cu(NO3)2。

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