化学竞赛——晶体结构

郴州市二中高一化奥班辅导资料——晶体结构（2008-05-28）【涉及概念和内容】根据《化学课程标准》和中学化学教材以及《物质结构与性质》选修教材，晶体结构涉及的内容包括：（1）基本概念：周期性有序排列、晶胞及晶胞类型、晶胞中粒子数的计算、配位数、空隙、堆积方式、晶格能、并置碓砌；（2）堆积方式：面心立方、六方、体心立方和简单立方堆积；（3）晶体种类和性质：金属晶体、离子晶体、分子晶体、原子晶体，自范性、各向异性、金属晶体的导电导热和延展性、X－射线衍射。

这些内容看似零碎，实际上它们有着密切的内在联系，了解和建立它们的关系，对于晶体结构的教与学，深刻理解晶体结构和性质，掌握核心、突出重点都是很重要的。

它们的联系可以用下面的结构表示，其中堆积类型是联系晶体基本概念、基本结构与不同晶体类型的结构和性质的桥梁。

面心立方最密堆积（A1）最密堆积六方最密堆积（A3）体心立方密堆积（A2）简单立方堆积金刚石型堆积(四面体堆积)（A4）一、晶体的结构1、晶体的概念晶体是质点（原子、分子、离子）在空间有规律周期性地重复排列，是具有规则的多面体固体物质。

2自范性：在一定条件下晶体能自动地呈现具有一定对称性的多面体的外形（晶体的形貌）。

非晶体不能呈现多面体的外形。

晶态石英的谱图非晶态石英的谱图3、晶体的点阵结构概念：在晶体内部原子或分子周期性地排列的每个重复单位的相同位置上定一个点，这些点按一定周期性规律排列在空间，这些点构成一个点阵。

点阵是一组无限的点，连结其中任意两点可得一矢量，将各个点阵按此矢量平移能使它复原。

点阵中每个点都具有完全相同的周围环境。

晶体结构= 点阵+ 结构基元结构基元：在晶体的点阵结构中每个点阵所代表的具体内容，包括原子或分子的种类和数量及其在空间按一定方式排列的结构。

（1）直线点阵（2）平面点阵（3）晶胞（晶胞是人为划定的，为平行六面体）空间点阵必可选择3个不相平行的连结相邻两个点阵点的单位矢量a，b，c，它们将点阵划分成并置的平行六面体单位，称为点阵单位。

1998-2010年高中化学竞赛（初赛）有关晶体结构的试题及答案解析（09第6题）(10分)6-1 文献中常用下图表达方解石的晶体结构：图中的平行六面体是不是方解石的一个晶胞？简述理由。

不是。

(1分)晶体的平移性决定了晶胞的8个顶角必须相同，平行棱的结构必须相同，平行面的结构必须相同，而该平行六面体平行棱上的碳酸根离子的取向是不同的。

(1分) 6-2 文献中常用下图表达六方晶体氟磷灰石的晶体结构：Array该图是c轴投影图，位于图中心的球是氟，大球是钙，四面体是磷酸根（氧原子未画出）。

试以此图为基础用粗线画出氟磷灰石晶胞的c轴投影图，设晶胞顶角为氟原子，其他原子可不补全。

(2分) 6-3某晶体的晶胞参数为：a = 250.4 pm, c = 666.1 pm，γ = 120o；原子A的原子坐标为0，0，1/2和1/3，2/3，0，原子B的原子坐标为1/3，2/3，1/2和0，0，0。

(1) 试画出该晶体的晶胞透视图（设晶胞底面即ab 面垂直于纸面，A 原子用“○”表示，B原子用“●”表示）。

或(2分)(2) 计算上述晶体中A 和d (AB )。

d (AB) = 250.4 pm ⨯ 0.5 ÷ cos30o = 144.6 pm只要有计算过程，得出正确的核间距(2分)(3) 共价晶体的导热是共价键的振动传递的。

实验证实，该晶体垂直于c 轴的导热性比平行于c 轴的导热性高20倍。

用上述计算结果说明该晶体的结构与导热性的关系。

因为该晶体的c = 666.1 pm, 是AB 最短核间距的4.6倍，其间不可能有共价键，只有范德华力，该晶体属层状晶体，难以通过由共价键振动传热。

(2分)（10第3题） ( 7分) 早在19世纪人们就用金属硼化物和碳反应得到了碳化硼。

它是迄今已知的除金刚石和氮化硼外最硬的固体。

1930年确定了它的理想化学式。

左下图是2007年发表的一篇研究论文给出的碳化硼晶胞简图。

晶体结构题一（2004年全国高中学生化学竞赛决赛6分）氢是重要而洁净的能源。

要利用氢气作能源，必须解决好安全有效地储存氢气问题。

化学家研究出利用合金储存氢气，LaNi5是一种储氢材料。

LaNi5的晶体结构已经测定，属六方晶系，晶胞参数a=511 pm,c＝397 pm,晶体结构如图2所示。

⒈从LaNi5晶体结构图中勾画出一个LaNi5晶胞。

⒉每个晶胞中含有多少个La原子和Ni原子？⒊LaNi5晶胞中含有3个八面体空隙和6个四面体空隙，若每个空隙填人1个H原子，计算该储氢材料吸氢后氢的密度，该密度是标准状态下氢气密度(8.987×10-5 g·m-3)的多少倍？（氢的相对原子质量为1.008；光速c为2．998×108 m·s-1；忽略吸氢前后晶胞的体积变化）。

解：⒈晶胞结构见图4。

⒉晶胞中含有1个La原子和5个Ni原子⒊计算过程：六方晶胞体积：V=a2csin120°=(5.11×10-8)2×3.97×10-8×31/2/2=89.7×10-24cm3氢气密度是氢气密度的1.87×103倍。

二. (2006年全国高中学生化学竞赛决赛理论试题1)在酸化钨酸盐的过程中，钨酸根WO42-可能在不同程度上缩合形成多钨酸根。

多钨酸根的组成常因溶液的酸度不同而不同，它们的结构都由含一个中心W原子和六个配位O原子的钨氧八面体WO6通过共顶或共边的方式形成。

在为数众多的多钨酸根中，性质和结构了解得比较清楚的是仲钨酸根[H2W12O42]10-和偏钨酸根[H2W12O40]6-。

在下面三张结构图中，哪一张是仲钨酸根的结构？简述判断理由。

(a) (b) (c)解：提示：考察八面体的投影图，可以得到更清楚地认识。

三．(2006年全国高中学生化学竞赛决赛理论试题4)轻质碳酸镁是广泛应用于橡胶、塑料、食品和医药工业的化工产品，它的生产以白云石（主要成分是碳酸镁钙）为原料。

高中化学竞赛专题考试——晶体结构1.008Zr Nb Mo T cRu Rh Pd Ag Cd In S n S b T e I Hf T a W Re OsIr Pt Au Hg T l Pb Bi Po At Ac-Lr HLi BeB C N O F Na MgAl S i P Cl S K Ca S c T i V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn G a G e As S e BrRb Cs Fr S r Ba RaY LaLu -6.9419.01222.9924.3139.1040.0885.4787.62132.9137.3[223][226]44.9647.8850.9452.0054.9455.8558.9363.5558.6965.3910.8126.9869.7212.0128.0972.61114.8204.4118.7207.2112.4200.6107.9197.0106.4195.1102.9192.2101.1190.298.91186.295.94183.992.91180.991.22178.588.9114.0116.0019.0030.9774.92121.8209.032.0778.96127.6[210][210][210]126.979.9035.454.00320.1839.9583.80131.3[222]He Ne Ar Kr Xe Rn相对原子质量Rf Db Sg Bh Hs Mt一 选择题（每题有一个或者两个正确选项，每题2分，共20分。

）1、下列各组物质汽化或熔化时，所克服的微粒间的作用力，属于同种类型的是（ ） A ．碘和干冰的升华 B ．二氧化硅和生石灰的熔化 C ．氯化钠晶体和铁的熔化 D ．冰的融化和烧碱的熔化2、在结构中，表示成SiO 4，则该结构式的通式为 （ ）A. (Si 2O 5)n 2n-B. (SiO 3)n 2n-C. (Si 6O 17)n 10n-D. (Si 6O 19)n 14n-3、某钾（·）的石墨嵌入化合物沿c 轴的投影图如图，该化合物的化学式为 （ ） A.KC 12 B. KC 10 C. KC 8 D. KC 64、下面二维平面晶体所表示的化学式为AX 3的是 （ ）A B C D5．下面图像是从NaCl 或CsCl 晶体结构图中分割出来的部分结构图，试判断属于NaCl 晶体结构的是① ② ③ ④A 图①B 图②C 图③D 图④6 非整数比化合物Fe 0.95O 具有NaCl 型晶体结构，由于n （Fe ）∶n （O ）＜1∶1，所以晶体存在缺陷。

全国化学竞赛初赛讲义——晶体结构 根据晶胞的几何特征，晶胞可以有7种，其名称、外形及晶胞参数如下表：名称外形 晶胞参数 立方a=b=c ，α=β=γ=90︒，只有一个晶胞参数a 四方a=b≠c ，α=β=γ=90︒，有2个晶胞参数a 和b 六方a=b≠c ，α=β=90︒，γ=120︒，有2个晶胞参数a 和c 正交a≠b≠c ，α=γ=90︒，有3个晶胞参数a 、b 和c 单斜a≠b≠c ，α=γ= 90︒，β≠90︒，有4个晶胞参数a 、b 、c 和β 三斜a≠b≠c ，α≠β≠γ，有6个晶胞参数a 、b 、c 、α、β和γ 菱方a =b =c ，α=β=γ≠90︒，有2个晶胞参数a 和α这种晶胞最早是由法国晶体学家布拉维提出的，全名是布拉维晶胞。

根据晶胞中所含结构基元〔可以理解为晶体中具有完全相同的化学环境，能体现晶体组成的最小构成微粒（原子、分子、离子或原子团）〕，可以分为素晶胞和复晶胞两大类。

素晶胞是最小的晶胞，其内容物的组成相当于结构基元的组成。

复晶胞则为素晶胞的多倍体。

复晶胞分体心晶胞、面心晶胞和底心晶胞三种，分别是素晶胞的2倍体、4倍体和2倍体，即其内容物相当于2、4、2个结构基元。

体心晶胞的特征是：将晶胞的框架移至体心位置（注意：只移动框架不移动原子），所得到的新的晶胞与原晶胞没有任何差别，这种特征叫体心位移。

归纳为下表即为：晶胞含结构基元 特征 素晶胞1 最小的晶胞 复晶胞 体心晶胞2 可作体心位移 面心晶胞4 可作面心位移 底心晶胞 2 可作底心位移【问题与思考】右图中的金属钠和氯化铯是不是体心晶胞？【分析与归纳】是不是体心晶胞关键就是看能否作体心位移，也是把晶胞的框架移至晶胞体心位置，所得新晶胞（图中虚线）与原晶胞（实线）是否毫无差别，如果无差别则是体心晶胞，否则不是。

由此可知金属钠是体心晶胞，氯化铯不是。

金属钠的结构基元是一个钠原子，一个钠晶胞中有2个钠原子，因此它是一个复晶胞（含2个结构基元）；氯化铯的结构基元是1Cs +＋1Cl -，一个晶胞中含一个Cs +和一个Cl -，为素晶胞。

高中化学竞赛-晶体结构-10年真题加完整答案（2000）4．理想的宏观单一晶体呈规则的多面体外形。

多面体的面叫晶面。

今有一枚MgO单晶如附图1所示。

它有6个八角形晶面和8个正三角形晶面。

宏观晶体的晶面是与微观晶胞中一定取向的截面对应的。

已知MgO的晶体结构属NaCl型。

它的单晶的八角形面对应于它的晶胞的面。

请指出排列在正三角形晶面上的原子（用元素符号表示原子，至少画出6个原子，并用直线把这些原子连起，以显示它们的几何关系）。

（6分）【答案】；所有原子都是Mg（3分）所有原子都是O（3分）注：画更多原子者仍应有正确几何关系；右图给出了三角形与晶胞的关系，不是答案。

（2000）5．最近发现一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子，如右图所示，顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，它的化学式是______。

【答案】Ti14C13（2分）说明：凡按晶胞计算原子者得零分。

（2001）第5题（5分）今年3月发现硼化镁在39K呈超导性，可能是人类对超导认识的新里程碑。

在硼化镁晶体的理想模型中，镁原子和硼原子是分层排布的，像维夫饼干，一层镁一层硼地相间，图5－1是该晶体微观空间中取出的部分原子沿C轴方向的投影，白球是镁原子投影，黑球是硼原子投影，图中的硼原子和镁原子投影在同一平面上。

5－1由图5－1可确定硼化镁的化学式为：5－2在图5－l右边的方框里画出硼化镁的一个晶胞的透视图，标出该晶胞内面、棱、顶角上可能存在的所有硼原子和镁原子（镁原子用大白球，硼原子用小黑球表示）。

图5－1硼化镁的晶体结构示意图第5题（5分）5-1MgB2（2分）（注：给出最简式才得分）或a=b≠c，c轴向上（3分）5-2（注：任何能准确表达出Mg︰B＝1︰2的晶胞都得满分，但所取晶胞应满足晶胞是晶体微观空间基本平移单位的定义，例如晶胞的顶角应完全相同等。

）（2001）第10题（5分）最近有人用一种称为“超酸”的化合物H(CB11H6Cl6)和C60反应，使C60获得一个质子，得到一种新型离子化合物[HC60][CB11H6Cl6]。

化学竞赛——晶体结构化学竞赛，晶体结构晶体结构是化学竞赛中的一个重要知识点，它涉及到晶体的组成、结构、性质等方面。

下面我将详细介绍晶体结构的相关知识。

晶体是由原子、离子或分子按照一定的几何规律排列而形成的具有固定形状和结构的物质。

晶体的结构可以分为晶格和晶胞两个层面。

晶格是指晶体中的原子、离子或分子的排列方式。

晶格可以分为三种类型：点阵、空间点阵和布拉维格子。

点阵是指晶体中原子、离子或分子的周期性排列形式，可以分为平面点阵、体心点阵、面心点阵等。

空间点阵是三维空间中具有平移对称性的点的集合，它可以由平面点阵通过添加一个垂直于平面的平移矢量得到。

布拉维格子是指空间中按照一定的几何规律分布的点，它由空间点阵通过移动原点所得到。

晶胞是晶体中一个最小的、具有完整晶体结构的单位。

晶胞可以分为简单晶胞、面心立方晶胞、体心立方晶胞等。

简单晶胞是指由一个或多个原子组成，没有原子在晶体内的重合部分的晶胞。

面心立方晶胞是指在体心立方晶胞的基础上，在每个体心加入了一个原子的晶胞。

体心立方晶胞是指在每个面心和一个体心分别加入一个原子的晶胞。

晶体结构可以通过X射线衍射、电子衍射等实验手段进行研究。

通过这些实验可以确定晶体中原子、离子或分子的位置和排列方式，从而揭示晶体的结构和性质。

晶体结构还可以用来解释化学反应的发生过程。

例如，固态反应与气态反应相比，通常速度较慢。

原因是固态反应需要克服晶体结构的稳定性，使反应物分子能够进入晶体内部，而气态反应则不受晶体结构的限制。

除了晶体结构，晶体中还存在一些缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。

点缺陷是晶体中原子或离子位置的缺陷，如空位、空隙等。

线缺陷是晶体中原子或离子位置的缺陷，如缺陷线、螺旋线等。

面缺陷是晶体中晶面的缺陷，如晶界、孪晶等。

总之，晶体结构是化学竞赛中的一个重要知识点。

它涉及到晶体的组成、结构、性质等方面，对于理解物质的性质和变化过程具有重要意义。

同时，晶体结构的研究也为合成新材料、开发新技术提供了重要的理论基础。

晶体结构综合例题令狐采学一．有一立方晶系的离子晶体，其结构如右图所示，试回答：1．晶体所属的点阵形式及结构基元；2．已知rCs+＝169pm，rCl＝181pm，试问此两种离于联合组成了何种型式的密聚积；3．Cu2+处在何种空隙里？4．指出各离子的配位情况？解：1. 立方P，CaCsCl3 ;2.A1型（立方面心）聚积, Cs＋，Cl－离子半径年夜致相近;3. 八面体空隙中;4. Cu2＋周围Cl－配位数6，Cs＋配位数8；Cl－周围Cu2＋配位数2，Cs＋配位数4； Cs＋周围Cl－配位数12，Cu2＋配位数8。

二．黄铜矿是最重要的铜矿，全世界的2/3的铜是由它提炼的。

1．右图为黄铜矿的晶胞。

计算晶胞中各种原子的数目,写出黄铜矿的化学式;2．在高温下，黄铜矿晶体中的金属离子可以产生迁移。

若铁原子与铜原子产生完全无序的置换，可将它们视作同等的金属离子，请说出它的晶胞。

3．在无序的高温型结构中，硫原子作什么类型的聚积？金属原子占据什么类型的空隙？该空隙被金属原子占据的分数是几多？4．计算黄铜矿晶体的密度; （晶胞参数：a=52.4pm ，c=103.0pm ；相对原子量：Cu63.5 Fe55.84 S32.06）。

解：1. 各种原子的数目Cu, Fe, S: 4, 4, 8; 黄铜矿的化学式CuFeS2 ;2. 它的晶胞与ZnS 晶胞相同；但金属离子随机性为50%;（如图）；3. 硫原子作A1型（立方F ）聚积;隙;该空隙被金属原子占据的分数1/2;4.容易计算黄铜矿晶体的密度 4.31g/cm3 . 三．冰晶石（Na3AlF6胞是以年夜阴离子（AlF63－）构成的面心立方晶格，Na ＋可看作是填充在晶格的空隙中，已知冰晶石的密度为 2.95g/cm3，Al —F 键长181 pm ，相对原子质量：Na 23.0；Al 27.0；F 19.0。

1．指出AlF63－配离子中心离子的杂化轨道类型、配离子空间构型和所属分子点群。

高中化学奥林匹克竞赛辅导晶体结构【学习要求】晶胞中原子数或分子数的计算及化学式的关系（均摊法）。

分子晶体、原子晶体、离子晶体和金属晶体。

配位数。

晶体的堆积与填隙模型。

常见的晶体结构类型，如NaCl 、CsCl 、闪锌矿(ZnS)、萤石(CaF 2)、金刚石、石墨、硒、冰、干冰、尿素、金红石、钙钛矿、钾、镁、铜等。

点阵的基本概念。

一、晶胞中粒子数目的计算——均摊法基本思路：晶胞任意位置上的一个微粒如果被n 个晶胞所共有，则每个晶胞对这个微粒分得的份额就是1n。

（1）立方体晶胞中不同位置的粒子数的计算：a.微粒位于立方体顶点，该微粒为8个晶胞所共有，则1/8微粒属于该晶胞；b.微粒位于立方体棱上，该微粒为4个晶胞所共有，则1/4微粒属于该晶胞；c.微粒位于立方体面上，该微粒为2个晶胞所共有，则1/2微粒属于该晶胞；d.微粒位于立方体内部，该微粒为1个晶胞所共有，则整个微粒属于该晶胞； 如NaCl 的晶胞结构如下：则由均摊法计算，一个NaCl 晶胞中含4个Na ＋，4个Cl －。

（2）非立方体晶胞中不同位置的粒子数的计算，如三棱柱：晶体结构离子的电子组态在一定程度上也会影响它的晶体结构，这三个性质综合起来还会决定离子键的共价性成分，后者过分强烈时，将使离子晶体转变为原子晶体，其间存在离子晶体到原子晶体的过渡型。

+－堆积方式简单立方堆积体心立方堆积面心立方最密堆积六方最密堆积四、原子晶体1.金刚石、晶体硅的结构：金刚石的晶体结构如下图所示，每个碳原子以sp3杂化与相邻的4个碳原子形成4个共价键，把晶体内所有的C原子连结成一个整体，形成空间网状结构，这种结构使金刚石具有很大的硬度和熔沸点。

由金刚石晶胞得，在一个金刚石晶胞中，含有8个C原子。

晶体硅具有金刚石型的结构。

只需将金刚石中的C原子换成Si原子即得到硅的结构。

常见的原子晶体有：金刚石(C)、晶体硅(Si)、SiO2、SiC、Si3N4、晶体硼(B)、晶体锗(Ge)、氮化硼(BN)等。