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碳硅硼竞赛试题


碳、硅、硼 一结构

2013.5.18

(2010 第 3 题 ) (2010 第 7 题 ) (内蒙 07-五,08-4,09-3,10-4,11-4) 1.(06 第 11 题)(11 分) 磷化硼是一种受到高度关注的耐磨涂料,它可用作金属的表面保护 层。磷化硼可由三溴化硼和三溴化磷在氢气中高温反应合成。 11-1.写出合成磷化硼的

化学反应方程式 BBr3+PBr3+3H2=BP+6HBr 11-2.分别画出三溴化硼分子和三溴化磷分子的结构。

Br Br B Br
Br

P

Br Br

(画不画磷上的孤对电子不影响得分)

平面三角形 11-3

三角锥

磷化硼晶体中磷原子作立方最密堆积,硼原子填入四面体空隙

中。画出磷化硼的正当晶胞示意图。 ( 注:填入另外四个四面体空隙也可,但不能一层空一层填) 11-4 已知磷化硼的晶胞参数 a = 478 pm,计算晶体中硼原子和磷原 dB-P= 1 子的核间距(dB-P) 。

3a ? 1 3 ? 478pm ? 207pm 4 4
1

或 11-5

2 2 2 ? 1 1 ? ?1 ? ? dB-P= ?? 2a ? ? ? a ? ? ? 3a ? 207pm ? 4 4 4 ? ? ? ? ? ? ? ?

画出磷化硼正当晶胞沿着体对角线方向的投影(用实线圆圈表示 P 原

子的投影,用虚线圆圈表示 B 原子的投影) 。 2.金刚石晶胞如下图:在立方体的 8 个顶角处,6 个面心处各有 1 个碳原子; 另外将大立方体分为 8 个小立方体,在相间的小立方体的体心处各有 1 个 C 原子。若将金刚 石晶胞中的 C 原子全部换为 Si 原子,同时在每个 C-C 键中点处添一个 O 原子,则构成了白硅 石 SiO2 的晶胞。 4-1 写出碳、硅原子(基态)的核外电子排布式; 4-2 在 SiO2 晶体中有多少个 Si 原子,多少个 O 原子? 4-3 该晶体属什么晶系?什么晶格型式?结构基元是什么? 4-4 Si 原子的配位数是多少?O 原子的配位数是多少? 4-5 假设 Si 、O 原子间的最近距离为 1.537×10-8 cm ,试求 SiO2 晶 体的密度(g/cm3). (相对原子质量:O 4-1 4-3 4-4 C :1s 2s 2p 立方晶系
2 2 2

16 ,Si

28 ) Si : 1s22s22p63s23p2 4-2 Si2O4
-8

8

16

,面心立方晶格型式,结构基元

3 a = 8× (1.537 × 10-8 )

故 a=7.099×10 (cm)
1

Z M =ρ V
No

8 ? 28 ? 16 ? 16 -8 3 =ρ ×( 7.099×10 ) 6.02 ? 10 23

所以

ρ =2.229 (g/cm3 )

3.SiC 具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性及较高的高温强度等特点,已成为一种重要的 工程材料。其晶体具有六方 ZnS 型结构,晶胞参数为 a=308pm,c=505pm,已知 C 原子的分 数坐标为(0,0,0)和(2/3,1/3,1/2) ;Si 原子的分数坐标为(0,0,1/8)和(2/3,1/3, 1/8) 。 1) .按比例画出 SiC 六方晶胞。 2) .每个晶胞中含有 SiC 3) .晶体中 Si 的堆积型式是 4) .列式计算 C-Si 健长。 个。 。C 填充的空隙类型是 ,占有率 。

1) .

(2 分)

2) .2(1 分) 3) .六方最密堆积 四面体空隙 50%(各 1 分) 4) .(1-5/8)c=189pm(2 分) 4.硅酸盐在自然界中分布极广,几乎在所有的硅酸盐矿物中,Si 原子都和 4 个 O 原子结 合成四面体的[SiO4]单元(图 1) ,图中○表示“O” ,⊙表示“Si—O” ) ,[SiO4]单元既可以 是分立的, , 也可以和其它四面体共用顶点连接各种各样的链状结构 (如图 2) 、 环状结构 (图 3)

(1 ) 形成硅氧四面体是硅与氧成键的一个重要特征, 试再举两种含有[SiO4]单元的物质 (要 求不同种类)
4—

。 、 个正四面


(2)图 1 为 SiO4 ,图 2、图 3 所示硅酸盐离子的符号 (3)由 13 个正四面体结合成的环状结构 Si13O3722 离子中,其中有 体和另外的四面体共享 2 个顶点、 (1)SiO2 或 H4SiO4 或其它合理答案 (2)Si3O108 ,Si3O96
— —

个和另外的四面体共享 3 个顶点。

(3)9 个,4 个

5.C60 的发现开创了国际科学的一个新领域,除 C60 分子本身具有诱人的性质外,人们发现 它的金属掺杂体系也往往呈现出多种优良性质,所以掺杂 C60 成为当今的研究热门领域之一。 经测定 C60 晶体为面心立方结构,晶胞参数 a=1420pm。在 C60 中掺杂碱金属钾能生成盐,假设 掺杂后的 K+填充 C60 分子堆积形成的全部八面体空隙,在晶体中以 K+和 C60 存在,且 C60 可
- -

2

近似看作与 C60 分子半径相同的球体。已知 C 的范德华半径为 170pm,K+的离子半径 133pm。 (1) 掺杂后晶体的化学式为


;晶胞类型为
+

; ;处于八面体空隙中心的

如果为 C60 顶点,那么 K 所处的位置是 K 到最邻近的 C60 中心的距离是 (2) (3) (1) (2)
+ +


pm。

实验表明 C60 掺杂 K 后的晶胞参数几乎没有发生变化,试给出理由。 计算预测 C60 球内可容纳的掺杂原子的半径。 KC60 面心立方晶胞 体心和棱心 710pm (各 1 分,共 4 分) C60 分子形成面心立方最密堆积,由其晶胞参数可得 C60 分子的半径:
r (C60 ) ? a 1420 ? ? 502pm 2 2 2 2

所以 C60 分子堆积形成的八面体空隙可容纳的球半径为: r(容纳)=0.414× r(堆积)=0.414× 502=208pm 这个半径远大于 K 的离子半径 133pm, 所以对 C60 分子堆积形成的面心立方晶胞参数几乎 没有影响(2 分) (3) 因 r(C60)=502pm,所以 C60 球心到 C 原子中心的距离为:502-170=332 pm 所以空腔半径,即 C60 球内可容纳原子最大半径为:332-170=162 pm 6.(2011 安徽 36).(本题 16 分)下面的左图是钾的石墨插层化合物的晶胞图(图中大 球表示 K 原子,小球表示 C 原子),下面的右图是晶胞沿 c 轴方向的投影。
+

⑴ 试推出一个晶胞中有几个 K 原子和 C 原子(写出推导过程)? ⑵ 该插层化合物的化学式是 ⑶ K 层与 C 层之间的作用力是 ⑷ K 层中 K 原子之间的最近距离是 C-C 键的键长 dC-C 的 ⑸如果 K 层中的 K 原子之间的距离增加到 物的化学式是 。 。 。 倍。 dC-C,则这种 K 的插层化合

4√3

⑹ 用图中插层化合物的化学式作反应物,写出其与水反应的两种反应的化学方程式。

⑴ K : 4×

1 4 1 2

+4×

1 2

+5=1+2+5=8(个)(2 分)

C : 4× (8× ⑵ C8K (2 分)

+12)= 4× 16=64(个)(2 分)
3

⑶ 离子键(2 分) ⑷

2√3

(2 分)⑸ KC32(2 分)⑹ C8K+H2O=KOH+ C8H(2 分) 2C8K+2H2O=C16(石墨)+2KOH+H2↑(2 分)

7.最简单的二元硼氮化合物可以通过下列反应合成: B2O3(l) + 2NH3(g) 2BN(s) + 3H2O(g)

反应产生的氮化硼的结构与石墨结构相类似,但上、下层平行,B、 N 原子相互交替(见图) 。层内 B-N 核间距为 145pm,面间距为 333pm。请回答下列问题: ⑴试画出层状六方氮化硼的晶胞。 ⑵写出晶胞中各原子的原子坐标。 ⑶试计算层状六方氮化硼晶体的密度。 ⑷在高压(60kbar)、高温(2000℃)下,层状六方氮化硼晶体可转化为 立方氮化硼,它与金刚石有类似结构。若立方氮化硼晶胞的边长为 361.5pm, 试计算立方氮化硼晶体中 B-N 键的键长。 37. (8 分) ⑴(2 分) ⑵B 原子 (0,0,0) N 原子 (0,0,
1 2

(1 , 3 )

2 3

,1 )或( 2
2 3

2 3

,1 ,1 ) 3 2
2 3

(1 分) (1 分)
B N

(1 , 3

,0)或(

,1 ,0) 3

ρ
⑶ ⑷dB-N=

2×(10.81+14.01)g·mol-1 6.022×1023mol-1×( 3× 145)2× 22 × 2× 333× 10-30cm3 2.27g·cm-3
3 4

a=

3 4

×361.5=156.5pm

二.推断 1.均由短周期元素组成的二元化合物 A 与配位化合物 B 能在乙醚(溶剂)中反应,生成化 合物 C、D、E;C 是一种易分解、易自燃的气体化合物,与 A 具有相同的空间结构;D、E 在 乙醚中都能溶解,但它们都是金属化合物,其中 D 是共价化合物,而 E 是离子化合物;E 也能 溶于水,但水溶液显酸性,电解熔融的 E 可用于制备其金属。 1) .写出 A、B、C、D、E 的化学式; 2) .写出 A+B→C+D+E 的化学方程式; 3) .写出由氧化物制备 A、B 与水反应、C 自燃的反应方程式; 4) .写出 D 在乙醚中的存在形式; 5) .用反应式表示 E 在水溶液中显酸性的原因。 6) .请写出用另一种方法制备 C 的反应方程式。 1) .A:SiCl4 B:Li[AlH4] C:SiH4 D:AlCl3
4

E:LiCl(各 1 分)

2) .SiCl4+Li[AlH4]=LiCl+SiH4+AlCl3(在乙醚中) (1 分) 3) .SiO2+2C+2Cl2=SiCl4+2CO SiH4+3O2=SiO2+2H2O(各 1 分) 4) .(C2H5)2O→AlCl3(1 分)
+ 5) .Li +H2O

Li[AlH4]+4H2O=LiOH+Al(OH)3+4H2↑

LiOH+H+(1 分) Mg2Si+4H2O=2Mg(OH)2+SiH4↑(各 1 分)

6) .SiO2+4Mg=Mg2Si+2MgO 数及化合物的部分性质列于下表。 化合物 ω (x ) ω (y) 常压下 t℃的 密度 g/cm 沸点/℃ 熔点/℃ 分子极性
3

2.下列六种化合物(A-F)中含有的元素不多于三种,且分子内所含 X、Y 元素的质量分 A 0.1653 0.8347 1.448 (20℃) 57 -70.4 非极性 B 0.2069 0.7852 1.145 (-113℃) 30.4 -118 极性 C 0.2781 0.7019 1.42 (-122℃) 8.3 -122 极性 D 0.4211 0.5338 2.973×10 (0℃) -12 -130 极性
-3

E 0.8743 0 0.68 (-168℃) -111.8 -185 非极性

F 0.2089 0.7911 — 145 3 -

根据上表有关信息回答下列问题: (1) 计算化合物 D 的相对分子质量。 (2) 确定六种化合物的化学式,写出推理和计算过程。 (1) (2) 66.5 (2 分) (2 分) 要点之一:D 中所含的另一种元素的总式量为:66.5×(1-0.4211-0.5338)=3,元素的相对

原子质量比 3 小的唯有 H 元素,故 D 分子中必有 3 个氢原子。

要点之二:据要点之一,推定 E 为氢化物,设其分子式为 XHn ,X 的相对原子质量为 a,则:

0.8743 0.1257 : ? 1: n ,a=7n,经讨论,当 n=4,a=28 时符合题意。因此 X 为 Si a 1
要点之三:据要点一与要点二可立即假设 D 为 SiH3Y。 要点之四:设 Y 的相对原子质量为 b,据 (1 分) 得 b=35.5,故 Y 是 Cl

0.4211 0.5338 : ? 1:1 28 b

要点之五:由 F 中 X、Y 的质量分数,可求得其最简式为 SiCl3,从价态不难得出 F 的分子式 为 Si2Cl6 因此各物质分别为:A.SiCl4; B.SiHCl3; C.SiH2Cl2; D.SiH3Cl; E.SiH4; F.Si2Cl6 3.硼是一种重要的非金属元素,单质硼可以通过硼镁矿 Mg2B2O5· H2O 来制取,先将硼镁矿用 浓 NaOH 处理分解,得到 NaBO2,然后向浓 NaBO2 溶液中通入 CO2 调节碱度,浓缩后用结晶析出 硼砂 Na2B4O7· 10H2O ,将硼砂溶于水后,用 H2SO4 调节酸度析出硼酸晶体,加热硼酸脱水后用镁还 原得到粗单质硼. (1)写出由硼镁矿 Mg2B2O5· H2O 制取硼的化学方程式 (2)将制得的粗硼在一定条件下反应全部生成 BI3,然后使 BI3 热分解可以得到纯净的单质 硼.0.20g 粗硼制成的 BI3 分解得到的 I2 全部收集后,用 2.00 mol· L-1 的 Na2S2O3 滴定,用去 27.00mL 溶液,求粗硼中的硼含量,
5

(3)硼酸晶体属于离子晶体、原子晶体、分子晶体、混合晶体中的哪一种?指出硼酸中的硼采 取的杂化形式,以及硼酸中的大π 键类型, (4)指出化合物 H3B-NH3 的熔点比其等电子体 H3C-CH3 等要高得多的原因,并画出示意 图. (1) Mg2B2O5· H2O +2NaOH===2 NaBO2+2Mg(OH)2 4NaBO2+2 CO2 +11H2O == Na2B4O7· 10H2O+2NaHCO3 Na2B4O7· 10H2O+H2SO4=Na2SO4+4H3BO3 ↓+5H2O 2H3BO3=B2O3+3H2O B2O3+3Mg=2B+3MgO (2) 2Na2S2O3~I2~2/3BI3~2/3B

B%=

2.00×27.00×1/3×10 3×10.81


×100%=97.29%

(3) 分子晶体

sp2 杂化

0.2

Π 46

(4)存在二氢键 N-H?H-B ,使熔点升高 4.ClO2 是一种高效,性能优良的广谱消毒剂,但不稳定,不易储运,稳定性 ClO2 成为研 究的热点,目前国内外常用的稳定剂有过碳酸钠(2Na2CO3·H2O2),过硼酸钠 Na[B(OH)3(OOH)]. 过碳酸钠的稳定原理是在过碳酸钠溶液中 ClO2 被还原成稳定的 ClO2 ,而在过硼酸钠稳定液中 并不存在大量的 ClO2 ,但与过碳酸钠稳定液相比,过硼酸钠稳定液的 pH 值明显下降,并有一 种二价四面体型单核配位阴离子形成,该阴离子有稳定 ClO2 的作用。 (1)写出过碳酸钠稳定 ClO2 的离子方程式。 (2)给出 A 离子的结构。 (3)用离子方程式表示过硼酸钠溶液 pH 值下降的原因。 (4) 过硼酸阴离子的二聚倾向, 影响了的吸收效率, 二聚离子化学式为[H4B2O8] ,该离子中 B、 H 的化学环境相同,给出其结构。写出 B 原子杂化轨道类型。 (5)用硼酸吸收 ClO2 不能起到稳定 ClO2 的作用,试分析原因。 (1) H2O2+2 ClO2 +2OH +2H2O +O2 (2)
+ - 2- -

=2 ClO2



OH HO-B-O-O-ClO2 OH

2-

OH HO-B-O-O-ClO2 OH O-H B O-H 2B:sp3 杂化

2-

(3)[B(OH)3(OOH)] + ClO2 =H + (4) H-O

O-O B O-O

H-O

(5)硼酸在水中可发生电离:B(OH)3+H2O

B(OH)4- +H+

形成 B(OH)4-离子比 A 离子更稳定,所以不容易吸收 ClO2 5.一定条件下,等物质的量的 BCl3 与 Hg 反应,生成等物质的量的 A 和 B;A 能继续与 Hg 反应, 生成具有高度对称性的化合物 C 和 B, C 分子中任意两个硼原子之间为 1.71× 10 1).写出上述制备 C 的反应方程式; 2).指出 BCl3 的空间构型和成键情况
6
-10

m。

3).画出 C 的结构 4).室温下 BCl3 是气体(熔点 12.5℃ ) ,实验检测其摩尔质量偏大;进一步检测发现有新物质 D 存在,且 D 中存在 2 种 B-Cl 键。画出 D 的立体结构。 5).如果把 BCl3 与乙醚放在一起,检测发现 B-Cl 键长从增长 8%,解释原因。 6).BCl3 与 BF3 都能发生水解,但两者的水解产物并不完全类似,分别写出反应方程式。 7).BCl3 可由硼酐和碳粉混合后加热至 600℃ 时通入氯气反应而得。 (1)写出制备反应方程式; (2)写出分离得到纯净产物的实验方法。 1).2BCl3+2Hg=B2Cl4+Hg2Cl2(1.5 分)2B2Cl4+4Hg=B4Cl4+2Hg2Cl2(1.5 分) 2).平面正三角形(1 分) 除 3 个 σ 键外还有 1 个 π46 大 π 键(1 分)

Cl
3). (1 分)4).

Cl B B Cl

Cl Cl

Cl

5).B 由 sp2 杂化变为 sp3 杂化。因 B 缺电子,有空轨道,能接受乙醚分子中 O 的孤对电 子,形成新的化学键; (2 分) 6).BCl3+3H2O=H3BO3+3HCl(1 分) (2)冷凝(1 分) 6.在 30oC 以下,将过氧化氢加到硼酸和氢氧化钠的混合溶液中,析出一种无色晶体 X。组 成分析证实,该晶体的质量组成为 Na 14.90%,B 7.03 %,H 5.24 %。加热 X,得无色晶体 Y。 Y 含 Na 23.0%, 是一种温和的氧化剂, 常温下在干燥空气里稳定, 但在潮湿热空气中分解放氧, 广泛用作洗涤剂、牙膏、织物漂白剂和美发产品,也用于有机合成。结构分析证实 X 和 Y 的 晶体中有同一种阴离子 Z ,该离子中硼原子的化学环境相同,而氧原子却有两种成键方式。 4-1 写出 X、Y 的最简式,给出推理过程。 X 的最简式;NaBH8O7 推理过程: Na 1 14.90/23.0 = 0.648 Y 的最简式;NaBH2O4 (各 1 分;写成水合物也可) B 7.03/10.8 = 0.651 1 H 5.24/1.008= 5.20 8 O 72.83/16.0=4.55 7
2-

4BF3+3H2O=3BF4-+H3BO3+3H+(1 分)

7). (1)B2O3+3C+3Cl2=2BCl3+3CO(1 分)

X 变成 Y 是脱水过程。X 为 NaBH2O4·3H2O, 则 Y 中 Na 的质量百分数为 23/99.8 = 0.23 (若 X 是 NaBO3·4H2O,则 Y 中 Na 的质量分数为 23/81.8=0.28 不符合题意。 ) (1 分) 4-2 用最恰当的视角画出 Z 离子的立体结构(原子用元素符号表示,共价键用短线表示) 。
2HO B HO O O O O B OH OH
2-

7.硼是一种重要有非金属元素,单质硼可以通过硼镁矿 Mg2B2O5·H2O 来制取。
7

第①步:将硼镁矿用浓碱 NaOH 溶解,过滤得 NaBO2 溶液。 第②步:将 NaBO2 浓缩后通入 CO2 ,调节碱度,结晶析出硼砂 Na2B4O7·10H2O 。 第③步:将硼砂溶于水后用硫酸调节酸度,过滤得 H3BO3 晶体。 第④步: 加热硼酸使之脱水。 第⑤步:脱水产物用镁还原即得粗单质硼。 请回答下列问题: (1)第①步和第⑤步的化学方程式分别为: (2)将制得的粗硼在一定条件下通过多步反应生成 BI3,然后 BI3 热分解可以得到纯净的 单质硼。将 0.20g 粗硼制成的 BI3 分解的得到的 I2 全部收集后,用 2.00 mol·L Na2S2O3 滴定用去 27.00mL ①滴定过程中所用的指示剂为 “酸式”或“碱式” ) 。 ②粗硼中硼的含量为 (3)上述制得的硼砂晶体 Na2B4O7·10H2O 还制备过硼 酸钠,它是一种优良的漂白剂,被广泛应用于洗衣粉、 漂白粉、洗涤剂中。已知纯品过硼酸钠中各元素的物质 的量之比为 n(Na):n(B):n(H):n(O)=1:1:n:7. 将制得的纯品 样品在 70℃以上加热将逐步失去结晶水,测得纯品质量 随温度的变化如图所示,求 T3 时所得晶体的化学式。 (1)Mg2B2O5·H20 +NaOH=2NaBO2+2Mg(OH)2 ↓,3Ng+B2O3 (2) ①淀粉 碱式 ② 99% (3)T3 时,n(Na)=20.0×23%/23=0.2 mol n(Na):n(B):n(H):n(O)=1:1:n:7=0.2:0.2:0.2n:1.4 0.2×23+0.2×11+0.2n+1.4×16=30.8 通过计算 T3 晶体为 NaBO3·H2O 8. (05 福建 7)某氧化物是由它的含氧酸加热脱水而成,前者在单分子的构型中氧原子处 在分子的中心位置和端点位置。其中心氧原子轨道可认为近 sp3 杂化轨道。 ①写出该氧化物及它的含氧酸的分子式 ②写出该氧化物的立体结构式,比较 X-OC(中心原子氧)和 X-Ob(端点原子氧)的键距并 说明之(注:设该氧化物为 XnOm) ③乙硼烷与氨反应可制得一种类似于苯结构的化合物,称之为无机苯。该分子中的两个氢原子 被氯原子取代,请写出该分子的二氯取代物的所有同分异构体的结构式。 (1)B2O3;H3BO3 n=8 NaBO3·4H2O

-1

的 滴定管 (填

。 盛装 Na2S2O3 溶液的是

2B+3MgO

(2)

;键距 B-Oc>B-Ob;B-Ob 有双键性质

③(4 种)
8


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