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- 2021-07-05 发布
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真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。
1
6.晶体结构的计算
【考点归纳】
1.晶胞化学式的计算
晶体中微粒的排列具有周期性,晶体中最小的结构重复单元称为晶胞,利用“均摊法”可以计算一个
晶胞中的粒子数,从而确定晶体的化学式。“均摊法”的基本思想是晶胞中任意位置上的一个粒子被 n 个
晶胞共用,那么每个晶胞对这个原子分得份额就是 。常见考题里涉及的晶胞有立方晶胞、六方晶胞、三
棱晶胞,以立方晶胞最为常见。
(1)立方晶胞:每个顶点上的粒子被 8 个晶胞共用,每个粒子只有 属于该晶胞;每条棱上的粒子被 4 个
晶胞共用,每个粒子只有 属于该晶胞;每个面心上的粒子被 2 个晶胞共用,每个粒子只有 属于该晶胞;
晶胞内的粒子完全属于该晶胞。
(2)六方晶胞:每个顶点上的粒子被 6 个晶胞共用;每条横棱上的粒子被 4 个晶胞共用;每条纵棱上的粒
子被 3 个晶胞共用;每个面心上的粒子被 2 个晶胞共用;晶胞内的粒子完全属于该晶胞。
(3)三棱晶胞:每个顶点上的粒子被 12 个晶胞共用;每条横棱上的粒子被 4 个晶胞共用;每条纵棱上的
粒子被 6 个晶胞共用;每个面心上的粒子被 2 个晶胞共用;晶胞内的粒子完全属于该晶胞。
2.晶体密度及微粒间距离的计算
(1)晶体微粒与 M、ρ之间的关系:若 1 个晶胞中含有 x 个微粒,则 1mol 晶胞中含有 xmol 微粒,其质量为
xMg(M 为微粒的相对“分子”质量);1 个晶胞的质量为ρa3g(a3 为晶胞的体积,ρ为晶胞的密度),则 1mol
晶胞的质量为ρa3NAg,因此有 xM=ρa3NA。
(2)金属晶体中体心立方堆积、面心立方堆积中的几组公式(设棱长为 a):面对角线长= 2a;体对角线
长= 3a;体心立方堆积 4r= 3a(r 为原子半径);面心立方堆积 4r= 2a(r 为原子半径)。
(3)空间利用率的计算:空间利用率=晶胞占有的微粒体积
晶胞体积
。
【过关练习】
1.下图是甲、乙、丙三种晶体的晶胞,则甲晶体中 x 与 y 的个数比是______,乙中 a 与 b 的个数比是______,
丙中一个晶胞中有________个 c 离子和________个 d 离子。
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2
2.某钙钛型复合氧化物如图 1 所示,以 A 原子为晶胞的顶点,A 位可以是 Ca、Sr、Ba 或 Pb,当 B 位是 V、
Cr、Mn、Fe 等时,这种化合物具有 CMR 效应。用 A、B、O 表示这类特殊晶体的化学式:________。
3.下图是某铜矿的晶胞图,请推算出此晶胞的化学式(以 X 表示某元素符号)________;与 X 等距离且最近
的 X 原子个数为________。
4.钒的某种氧化物晶胞结构如图所示。该氧化物的化学式为________,若它的晶胞参数为 x nm,则晶胞的
密度为________g·cm-3。
5.某镍白铜合金的立方晶胞结构如图所示。晶胞中铜原子与镍原子的数量比为________。
6.Z 基态原子的 M 层与 K 层电子数相等,它与某元素形成的化合物的晶胞如下图所示,晶胞中阴离子和阳离
子的个数之比是________。
7.M 是第四周期元素,最外层只有 1 个电子,次外层的所有原子轨道均充满电子。元素 Y 的负一价离子的最
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外层电子数与次外层的相同。M 与 Y 形成的一种化合物的立方晶胞如图所示。该化合物的化学式为________,
已知晶胞参数 a=0.542 nm,此晶体的密度为________g·cm-3。(写出计算式,不要求计算结果。阿伏加德
罗常数为 NA)
8.O 原子和 Na 原子能够形成化合物 F,其晶胞结构如图所示,晶胞参数,a=0.566 nm, F 的化学式为________:
晶胞中 O 原子的配位数为______________;列式计算晶体 F 的密度(g·cm-3)____________________。
9.GaAs 的熔点为 1 238 ℃,密度为ρg·cm-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 MGag·mol-1 和 MAsg·mol-1,原子半径分别为 rGa pm 和 rAs pm,
阿伏加德罗常数值为 NA,则 GaAs 晶胞中原子的体积占晶胞体积的百分率为__________________________。
10.Ni 能与 CO 形成四羰基镍[Ni(CO)4],四羰基镍熔点-19.3℃,沸点 42.1℃,易溶于有机溶剂。Ni(CO)4
固态时属于________晶体(填晶体类型)。Ni2+与 Mg2+、O2—形成晶体的晶胞结构如图所示(Ni2+未画出),则该
晶体的化学式为________。
11.下图所示的 CaF2 晶体中与 Ca2+最近且等距离的 F-数为________,已知,两个距离最近的 Ca2+核间距离为
a×10-8cm,计算 CaF2 晶体的密度为________________。
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12.金刚石晶胞含有________个碳原子。若碳原子半径为 r,金刚石晶胞的边长为 a,根据硬球接触模型,
则 r=______a,列式表示碳原子在晶胞中的空间占有率_________(不要求计算结果)。
13.科学家把 C60 和 K 掺杂在一起制造了一种富勒烯与钾的化合物,该物质在低温时是一种超导体,其晶胞如
图所示,该物质中 K 原子和 C60 分子的个数比为________。继 C60 后,科学家又合成了 Si60、N60。请解释如下
现象:熔点 Si60>N60>C60,而破坏分子所需要的能量 N60>C60>Si60,其原因是_________。
14.如图甲所示为二维平面晶体示意图,所表示的物质化学式为 AX3 的是________(填“a”或“b”)。图乙
为金属铜的晶胞,此晶胞立方体的边长为 a pm,金属铜的密度为ρg·cm-3,则阿伏加德罗常数可表示为
________ mol-1(用含 a、ρ的代数式表示)。
15.FeO、NiO 的晶体结构与 NaCl 晶体结构相同,其中 Fe2+与 Ni2+的离子半径分别为 7.8×10-2nm、6.9×10
-2nm,则熔点 FeO___(填“<”、“>”或“=”)NiO,原因是_____________。磷化硼是一种超硬耐磨的
涂层材料,其晶胞如图 2 所示。P 原子与 B 原子的最近距离为 acm,则磷化硼晶胞的边长为________cm(用
含 a 的代数式表示)。
参考答案
1.【解析】甲中 N(x)∶N(y)=1∶
4×1
8 =2∶1;乙中 N(a)∶N(b)=1∶
8×1
8 =1∶1;丙中 N(c)=12×1
4
+
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5
1=4,N(d)=8×1
8
+6×1
2
=4。
【答案】2∶1 1∶1 4 4
2.【解析】由图可知,晶胞中 A 位于顶点,晶胞中含有 A 为 8×1
8
=1 个,B 位于晶胞的体心,含有 1 个,O
位于面心,晶胞中含有 O 的个数为 6×1
2
=3 则化学式为 ABO3。
【答案】ABO3
3.【解析】晶胞中含有 X 原子数目=8×1
8
+1=2,含有 Cu:4,晶胞的化学式 Cu2X;根据晶胞结构,与 X 等
距离且最近的 X 原子个数为 8 个。
【答案】Cu2X 8
【答案】VO2
1.66×1023
NAx3
5.【解析】Cu 原子位于面心,个数为 6×1
2
=3,Ni 原子位于顶点,个数为 8×1
8
=1,铜原子与镍原子的数
量比为 3∶1。
【答案】3∶1
6.2:1
7.【解析】根据晶胞结构利用切割法分析,每个晶胞中含有铜原子个数为 8×1
8
+6×1
2
=4,氯原子个数为 4,
该化合物的化学式为 CuCl;则 1 mol 晶胞中含有 4 mol CuCl,1 mol 晶胞的质量为 4×99.5 g,又晶胞参数
a=0.542 nm,此晶体的密度为 4×99.5
NA× 0.542 3×10-21g·cm-3。
【答案】CuCl 4×99.5
NA× 0.542 3×10-21
8.【解析】O2-半径大于 Na+半径,由 F 的晶胞结构可知,大球代表 O2-,小球代表 Na+,每个晶胞中含有 O2
-个数为 8×1
8
+6×1
2
=4,含有 Na+个数为 8,故 O2-、Na+离子个数之比为 4∶8=1∶2,从而推知 F 的化学
式为 Na2O。由晶胞结构可知,每个 O 原子周围有 8 个 Na 原子,故 O 原子的配位数为 8。晶胞参数 a=0.566
nm = 0.566×10 - 7 cm , 则 晶 胞 的 体 积 为 (0.566×10 - 7cm)3 , 从 而 可 知 晶 体 F 的 密 度 为
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4×62g·mol-1
0.566×10-7cm 3×6.02×1023mol-1≈2.27 g·cm-3。
【答案】 Na2O 8 4×62g·mol-1
0.566×10-7cm 3×6.02×1023mol-1≈2.27g·cm-3
9.【解析】GaAs 的熔点为 1 238 ℃,其熔点较高,据此推知 GaAs 为原子晶体,Ga 与 As 原子之间以共价键
键合。分析 GaAs 的晶胞结构,4 个 Ga 原子处于晶胞体内,8 个 As 原子处于晶胞的顶点、6 个 As 原子处于
晶胞的面心,结合“均摊法”计算可知,每个晶胞中含有 4 个 Ga 原子,含有 As 原子个数为 8×1
8
+6×1
2
=
4(个),Ga 和 As 的原子半径分别为 rGapm=rGa×10-10cm,rAspm=rAs×10-10 cm,则原子的总体积为 V 原子=
4×4
3
π×[(rGa×10-10cm)3+(rAs×10-10cm)3]=16π
3
×10-30(r3
Ga+r3
As)cm3。又知 Ga 和 As 的摩尔质量分别为
MGag·mol-1 和 MAsg·mol-1,晶胞的密度为ρg·cm-3,则晶胞的体积为 V 晶胞=4 MGa+MAs
ρNA
cm3,故 GaAs 晶胞
中 原 子 的 体 积 占 晶 胞 体 积 的 百 分 率 为 V 原子
V 晶胞
×100% =
16π
3
×10-30 r3
Ga+r3
As cm3
4 MGa+MAs
ρNA
cm3
×100% =
4π10-30×NAρ r3
Ga+r3
As
3 MGa+MAs
×100%。
【答案】原子晶体 共价4π10-30×NAρ r3
Ga+r3
As
3 MGa+MAs
×100%
【答案】分子 Mg2NiO3
11.【解析】CaF2 晶体中 Ca2+的配位数为 8,F-的配位数为 4,Ca2+和 F-个数比为 1∶2,一个晶胞中实际拥
有的 Ca2+为 8×1
8
+6×1
2
=4,F-为 8 个,晶胞顶点及六个面上的离子为 Ca2+,晶胞内部的离子为 F-,1 个晶
胞实际拥有 4 个“CaF2”。则 CaF2 晶体的密度:4×78 g·mol-1÷[( 2a×10-8 cm)3×6.02×1023mol-1]=183.2
a3
g·cm-3。
【答案】8 183.2
a3 g·cm-3
12.由金刚石的晶胞结构可知,晶胞内部有 4 个 C 原子,面心上有 6 个 C 原子,顶点有 8 个 C 原子,晶胞中
C 原子数目为 4+6×1
2
+8×1
8
=8;若 C 原子半径为 r,金刚石的边长为 a,根据硬球接触模型,则正方体对
真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。
7
角线长度的1
4
就是 C—C 键的键长,即 3
4
a=2r,所以 r= 3
8
a,碳原子在晶胞中的空间占有率 w=
8×4
3
πr3
a3
=
8×4
3
π×
3
8
a 3
a3
= 3π
16
。
【答案】8 3
8
8×4
3
πr3
a3
= 3π
16
13.3∶1 结构相似的分子晶体的相对分子质量越大,分子间作用力(或范德华力)越强,熔化所需的能量越多,
故熔点:Si60>N60>C60;而破坏分子需断开化学键,元素电负性越强其形成的化学键越稳定,断键时所需能量
越多,故破坏分子需要的能量大小顺序为 N60>C60>Si60
14.b 256
ρa3×1030
15.< FeO 和 NiO 相比,阴离子相同,阳离子所带电荷相同,但亚铁离子半径大于镍离子,所以 FeO 晶格
能小,熔点低 4a
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