结构化学习题解答9(北大).ppt

(b)O原子的第二电子亲和能（O+eO2-的能量）不能直接在气相中测定，试利用下列数据及(a)中得到的点阵能数据，按Born-Haber循环求算。,9.1.,第九章离子化合物的结构化学,MgO的晶体结构属NaCl型，MgO最短距离为210pm(a)利用下面公式计算点阵能U。,解：(a),(b)为便于书写，在下列Born-Haber循环中略去了各物理量的单位kJmol-1-601.2KJmol-1=(146.4+737.7+1450.6+249.2-141.8-3943)KJmol-1+Y2Y2=899.7KJmol-1,已知离子半径Ca2+99pm，Cs+pm，S2-pm，Br-195pm，若立方晶系CaS和CsBr晶体均服从离子晶体的结构规则，请判断这两种晶体的正、负离子的配位数、配位多面体型式、负离子的堆积方式、晶体的结构型式。解：由已知数据计算出两种晶体的正、负离子的半径比r+/r-，根据半径比即可判断正离子的配位数CN+、配位多面体的型式和负离子的堆积方式。由正离子的配位数和晶体的组成即可判断负离子的配位数CN-CN+(正离子数/负离子数)。根据上述结构和已知的若干简单离子晶体的结构特征即可判断CaS和CsBr的结构型式。兹将结构列表如下：r+/r-CN+CN-配位多面体型式负离子堆积方式结构型式CaS0.53866正八面体立方最密集堆积NaCl型CsBr0.93388立方体简单立方堆积CsCl型,9.3,NH4Cl为简单立方点阵结构，晶胞中包含1个NH4+和1个Cl-，晶胞参数a=387pm。(a)若NH4+热运动呈球形，试画出晶胞结构示意图；(b)已知Cl-的半径为181pm，求球形NH4+的半径；(c)计算晶体密度；(d)计算平面点阵族（110）相邻两点阵面的间距；(e)用CuKa射线进行衍射，计算衍射指标330的衍射角（）值；(f)若NH4+不因热运动而转动，H做有序分布，请讨论晶体所属的点群。解：（a）,9.5,(b)设球形NH4+和Cl-的半径分别为，由于两离子在晶胞体对角线方向上接触，因而有：,(c)晶体的密度为：,(d)（110）点阵面的面间距为：,(e),也可根据dhkl=（1/n）d（hkl）直接由（d）中已算出的d（110）求出d（330）（这里n=3），代入sin=/2d330，进而求出330,（f）若把NH4+看作球形离子，则NH4Cl晶体属于Oh点群。若NH4+不因热运动而转动，则不能简单地把它看作球形离子。此时4个H原子按四面体方向有序分布在立方晶胞的体对角线上（见图9.5b），NH4Cl晶体不再具有C4轴和对称中心等对称元素，只保留了3个I4，4个C3和6个。因此，其对称性降低，不再属于Oh点群而属于Td点群。,经X射线分析鉴定，某一离子晶体属于立方晶系，其晶胞参数a=403.1pm。晶胞顶点位置为Ti4+所占，体心位置为Ba2+所占，所有棱心位置为O2-所占。请据此回答或计算：(a)用分数坐标表达诸离子在晶胞中的位置；(b)写出此晶体的化学组成；(c)指出晶体的点阵型式、结构基元和点群；(d)指出Ti4+的氧配位数和Ba2+的氧配位数；(e)计算两种正离子的半径值(O2-半径为140pm)；(f)检验此晶体是否符合电价规则，判断此晶体中是否存在分离的络离子基团；(g)Ba2+和O2-联合组成哪种型式的堆积？(h)O2-的配位情况怎样？,9.8,解：(a)Ti4+：0,0,0Ba2+：1/2,1/2,1/2O2-：1/2,0,0；0,1/2,0；0,0,1/2(b)一个晶胞中的Ba2+数为1，Ti4+数为8(1/8)=1，O2-数为12(1/4)=3。所以晶体的化学组成为BaTiO3(由(a)中各离子分数坐标的组数也可知道一个晶胞中各种离子的数目)。(c)晶体的点阵型式为简单立方，一个晶胞即一个结构基元，晶体属于Oh点群。(d)Ti4+的氧配位数为6，Ba2+的氧配位数为12。(e)在晶胞的棱上，Ti4+和O2-相互接触，因而。Ba2+和O2-在高度为0.5a且平行于立方晶胞的面对角线方向上互相接触，因而Ba2+的半径为,(f)TiO键的静电键强度为2/3(4/6)，BaO键的静电键强度为1/6(2/12)，O2-周围全部静电键强度之和为(2/3)2+(1/6)4=2，等于O2-的电价（绝对值）。所以BaTiO3晶体符合电价规则。晶体不存在分离的络离子基团。(g)Ba2+和O2-在BaTiO3立方晶胞中联合组成立方最密堆积，只是两中离子的半径不同而已。(h)实际上，在（f）中已经表明：O2-的钛配位数为2，O2-的钡配位数为4。,具有六方ZnS型结构的SiC晶体，其六方晶胞参数为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0,0,5/8和2/3，1/3，1/8。请回答或计算下列问题：(a)按比例清楚地画出这个六方晶胞；(b)晶胞中含有几个SiC?(c)画出点阵型式，说明每个点阵点代表什么？(d)Si作什么型式的堆积，C填在什么空隙中？(e)计算SiC键键长。,9.9,解：(a)SiC六方晶胞的轴比c/a=505pm/308pm=1.64,Si原子和C原子的共价半径分别为113pm和77pm，参照这些数据和原子的坐标参数，画出SiC的六方晶胞如图9.9a所示。(b)一个晶胞含有的C原子数为8(1/8)(顶点原子)+1(晶胞内原子)=2，Si原子数为4(1/4)(棱上原子)+1(晶胞内原子)=2。所以一个SiC六方晶胞含2个SiC。(c)点阵型式为简单六方（见图9.9b），每个点阵点代表2个SiC，即2个SiC为1个结构基元。(d)Si原子作六方最密堆积，C原子填在由Si原子围成的四面体空隙中。Si原子数与四面体空隙数之比为1：2(见习题8.8)，而C原子数与Si原子数之比为1：1，所以C原子数与四面体空隙数之比为1：2，即C原子只占50%的空隙。(e)由(a)中的晶胞图可见，SiC键键长为：,(a)(b),图9.9,已知氧化铁FexO(富氏体)为氯化钠型构型，在实际晶体中，由于存在缺陷，x1。今有一批氧化铁，测得其密度为5.71gcm-3，用MoKa射线（=71.07pm）测得面心立方晶胞衍射指标为200的衍射角=9.560，sin=0.1661，Fe的相对原子质量为55.85，试回答：(a)FexO的面心立方晶胞参数；(b)求x值；(c)Fe2+和Fe3+在总铁中的摩尔百分数；(d)写出标明铁的价态的化学式。,9.14,解：(a),(b),(c)设0.92mol铁中Fe2+的摩尔数为y，则Fe3+的摩尔数为(0.92-y)，根据正负离子电荷平衡原则可得：2y+3(0.92-y)=2y=0.760.92-y=0.16即Fe2+和Fe3+的摩尔数分别为0.76和0.16，它们在总铁中的摩尔百分数分别为：0.76/0.92=82.6%和0.16/0.92=17.4%(d)富氏体氧化铁的化学式为：,NiO晶体为NaCl型结构，将它在氧气中加热，部分Ni2+将氧化为Ni3+，成为NixO(x1)。今有一批NixO，测得密度为6.47gcm-3，用波长为=154pm的X射线通过粉末法测得立方晶胞111衍射指标的=18.710（sin=0.3208）。Ni的相对原子质量为58.70。(a)计算NixO的立方晶胞参数；(b)算出x值，写出标明Ni的价态的化学式；(c)在NixO晶体中，O2-的堆积方式怎样？Ni在此堆积中占据哪种空隙？占有率（即占有分数）是多少？(d)在NixO晶体中，NiNi间最短距离是多少？,9.15,(b)因为NixO晶体为NaCl型结构，所以有：D，M和N分别为晶体的密度、NixO的摩尔质量和Avogadro常数。由此可得：,解：(a)由上题可得NixO的立方晶胞参数为：,而的NixO的摩尔质量又可表示为：M=58.70gcm-1x+16.00gcm-1=70.1gcm-1由此解得：x=0.92设0.92mol镍中有ymolNi2+，则有(0.92-y)molNi3+。根据正负离子电荷平衡原则，有：2y+3(0.92-y)=2y=0.760.92-y=0.16所以该氧化镍晶体的化学式为：,(c)晶体既为NaCl型结构，则O2-的堆积方式与NaCl晶体中的Cl-堆积方式相同，即为立方最密堆积。镍离子也同NaCl晶体中Na+占据由Cl-围成的八面体空隙一样，占据氧化镍晶体中由O2-围成的八面体空隙。不过，Na+的占有率为100%，而镍离子的占有率为92%。这还可由下面的推算得到进一步说明：由于O2-作立方最密堆积，它们可形成四面体和八面体空隙。镍离子究竟占据那种空隙，决定于正负离子的半径比。查数据知：,所以Ni2+和Ni3+都占据八面体空隙。根据等径圆球最密堆积中球数和多面体空隙数的关系，O2-数与八面体空隙数之比为1:1，而镍离子数与O2-数的比为0.92:1，所以镍离子数与八面体空隙数之比为0.92:1，即镍离子占据八面体空隙的百分率92%。(d)镍离子分布在立方晶胞的体心和棱心上，NiNi间最短距离即体心上和任一棱心上2个镍离子间的距离，它等于：NiNi间最短距离也等于处在交于同一顶点的2条棱中心上的2个镍离子间的距离，即：还可利用镍离子的坐标参数求算NiNi间最短距离，结果相同。,解：(a)Ag：0,0,0；1/2,1/2,0；1/2,0,1/2；0,1/2,1/2。即把原子各组分数坐标分别减去1/4。O：1/4,1/4,1/4；3/4,3/4,3/4。即把原来各组分数坐标分别加上1/4。(b)Ag原子的配位数为2，配位型式为直线型。O原子的配位数为4，配位形势为四面体。(c)AgO晶体属Td点群。,9.17,Ag2O晶体属立方晶系，Z=2，晶胞中原子的分数坐标为：Ag：1/4,1/4,1/4l；3/4,3/4,1/4；3/4,1/4,3/4；1/4,3/4,3/4。O：0,0,0；1/2,1/2,1/2。(a)若把Ag原子放在晶胞原点，请重新标出原子的分数坐标；(b)说明Ag原子和O原子的配位数和配位型式；(c)说明Ag2O晶体所属的点群。,解：依题意，FeS2(黄铁矿)晶体的结构与NaCl的晶体的结构相似，因而每个立方晶胞中含4个Fe原子和8个S原子；空间点阵型式为面心立方，第一个衍射的指标为111。将Bragg方程：2dhklsin=和立方晶系面间距公式：dhkl=a(h2+k2+l2)-0.5联立，得该FeS2晶体的晶胞参数为：,9.19,FeS2(黄铁矿)的晶体结构与NaCl的晶体结构相似：Fe和S2分别处在与Na+和Cl-相当的位置上。实验测得FeS2的密度为5.01gcm-3,CuKa射线在14.270产生第一个衍射。试由这些数据计算Avogadro常数。,根据晶体的密度D、化学式量M、晶胞参数a及晶胞中的“分子数”Z，即可求出Avogadro数：,由于生成条件不同，C60分子可堆积成不同的晶体结构，如立方最密堆积和六方最密堆积结构。前者的晶胞参数a=1420pm；后者的晶胞参数a=b=1002pm，c=1639pm。(a)画出C60的ccp结构沿四重轴方向的投影图；并用分数坐标示出分子间多面体空隙中心的位置（没类多面体空隙中心只写一组坐标即可）。(b)在C60的ccp和hcp结构中，各种多面体空隙理论上所能容纳的“小球”的最大半径是多少？(c)C60分子还可形成非最密堆积结构，使某些碱金属离子填入多面体空隙，从而制得超导材料。在K3C60所形成的立方面心晶胞中，K+占据什么多面体空隙？占据空隙的百分数为多少？,9.21,解：(a)C60分子堆积成的立方最密堆积结构沿四重轴方向的投影图见图9.21。四面体空隙中心的分数坐标为：1/4,1/4,1/4；1/4,1/4,3/4；3/4,1/4,1/4；3/4,1/4,3/4；1/4,3/4,1/4；1/4,3/4,3/4；3/4,3/4,1/4；3/4,3/4,3/4。,图9.21,八面体空隙中心的分数坐标为：1/2,1/2,1/2；1/2,0,0；0,1/2,0；0,0,1/2。(b)首先，由晶体结构参数求出C60分子的半径R。由hcp结构的晶胞参数a求得：R=0.5a=0.51002pm=501pm也可由ccp结构的晶胞参数求R，结果稍有差别。由C60分子堆积成的两种最密堆积结构中，四面体空隙和八面体空隙都是相同的。四面体空隙所能容纳的小球的最大半径为：rT=0.225R=0.225501pm=112.7pm八面体空隙所能容纳的小球的最大半径为：ro=0.414R=0.414501pm=207.4pm,(c)K3C60可视为二元离子晶体，但题中并未给出K+的半径值，因此无法根据半径比判断K+所占多面体空隙的类型。可从结构中的一些简单数量关系推引出结论。一个K3C60晶胞中共有12个多面体空隙，其中4个八面体空隙（其中心分别在晶胞的体心和棱心上）、8个四面体空隙（其中心的分数坐标为1/4,1/4,1/4等）。而一个晶胞中含4个C60分子，因此，多面体空隙数与C60分子数只比为3:1。从晶体的化学式知，K+数与C60分子数之比亦为3:1。因此，K+数与多面体空隙数之比为1:1，此即意味着K3C60晶体中所有的四面体空隙和八面体空隙皆被K+占据，即K+占据空隙的百分数为100%。,Y型分子筛属于立方晶系，空间群为，其晶胞参数为a=2460pm，晶胞组成为。(a)说明该分子筛晶体所属的点群和空间点阵型式；(b)说明该分子筛晶体的宏观对称元素和特征对称元素；(c)计算硅铝比；(d)已知该分子筛的密度为1.95gcm-3，求晶胞中结晶水的数目。,9.22,解：(a)由该分子筛所属的晶系和空间群的记号可知，它属于Oh点群，空间点阵型式为面心立方。,(b)根据该分子筛晶体所属的点群，可知其宏观对称元素有：3个C4轴、4个C3轴、6个C2轴、6个h和对称中心I。根据该分子筛晶体所属的晶系，可知其特征对称元素为4个按立方晶胞体对角线取向的C3轴。(c)硅铝比是指分子筛晶体中SiO2/Al2O3的比值。硅铝比高的分子筛热稳定性好。Y型分子筛的硅铝比较高，一般在3.05.0之间。按题中所给的晶胞组成计算，该Y型分子筛的硅铝比为136/28=4.857。(d)依题意，可得该Y型分子筛晶体的密度D、晶胞参数a、“晶胞式量“（此处不妨视为晶体的摩尔质量）M以及Avogadro常数N之间的关系如下：,即该Y型分子筛的一个晶胞中含有262个结晶水。,去掉单位即“晶胞式量”，而“晶胞式量”又可表示为：,