碳族元素和硼族元素.docx
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碳族元素和硼族元素
碳族元素和硼族元素
第1题(共6分)实验室制备少量硅一般采用镁粉还原SiO2的方法,然后用稀盐酸洗涤产品以除去杂质。
某
同学在进行上述操作时,在制得的产品中加HCI洗涤时突然起火。
(1)请用化学方程式解释:
1稀盐酸洗涤产品可除去哪些主要杂质?
2为什么加HCI洗涤时突然起火?
(2)请设计一个实验来验证你的解释。
(不必画出装置图,也不必指出具体化学药品,不要写方程式,只要
简明指出方法。
)
1.(共6分)⑴①2HCI+MgO^=H2O+MgCI2
2HCI+Mg+MgC2
②SiO2+4Mg^=Mg2Si+2MgO
Mg2Si+4HCI^=SiH4+2MgCI2
SiH4+2O2^^SiO2+2H2O
(2)在N2保护下(或惰性气体),对硅烷气体进行检验。
SiH4+2KMnO4H2+K2SQ3+2MnO2J+HO(不要求)
(方程式各1分,检验1分)
第2题(8分)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C60一存在,且C60一可近似看作与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。
11-1掺杂后晶体的化学式为;晶胞类型为;
如果为C60「顶点,那么K+所处的位置是;处于八面体空隙中心的K+到最邻近的C60
_中心的距离是pm。
11-2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。
11-3计算预测C60球内可容纳的掺杂原子的半径。
第11题(8分)
11-1KC60面心立方晶胞体心和棱心710pm(各1分,共4分)
11-2C60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:
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务堆积)=0.414502=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
11-3因r(C60)=502pm,所以C60球心到C原子中心的距离为:
502-170=332pm
所以空腔半径,即C60球内可容纳原子最大半径为:
332-170=162pm
第3题(共11分)2005年1月美国科学家在Scienee上发表论文,宣布发现了Al的超原子结构,并预言其
他金属原子也可能存在类似的结构,这是一项将对化学、物理以及材料领域产生重大影响的发现,引起了科
学界的广泛关注。
这种超原子是在Al的碘化物中发现的,以13个Al原子或14个Al原子形成AI13或Al14超原子结构,量子化学计算结果表明,Al13形成12个Al在表面,1个Al在中心的三角二十面体结构,Al14
可以看作是一个Al原子跟Al13面上的一个三角形的3个Al形成Al—Al键而获得的。
文章还指出,All3和All4超原子都是具有40个价电子时最稳定。
(1)根据以上信息可预测Al13和Al14的稳定化合价态分别为和。
A114应具有元素周期表中
哪类化学元素的性质,理由是:
(2)对Al13和A114的Al—Al键长的测定十分困难,而理论计算表明,Al13和Al14中的Al—Al键长与金属
铝的Al—Al键长相当,已知金属铝的晶体结构采取面心立方最密堆积,密度约为2.7g/cm3,请估算Al13
和Al14:
中Al—Al的键长。
(3)Al13三角二十面体中有多少个四面体空隙,假设为正四面体空隙,如果在其中搀杂其他原子,请通过计
算估计可搀杂原子的半径最大为多少?
12.(共11分)
(1)-1+2(Al13-Al142+)(2分,各1分)
碱土金属因为Al14容易失去2个电子而呈现+2价(1分)
MZ2743
(2)根据晶体密度公式可得:
V方a故晶胞参数a=405pm
NA6.02102.7
因为金属铝形成面心立方晶胞,所以原子半径与晶胞参数之间的关系为:
—22
所以估计Al-Al键长约为:
2r=2X143pm=286pm(3分)
⑶有20个四面体空隙(2分)
设Al的半径为R,正四面体空隙可以填充的内切球半径为
1
立方体对角线为:
[(.2R)(2R)2]26R
1
6RrR
2
所以r(兰1)R0.225R0.225143pm32.2Pm(3分)
2
(2003)第5题(8分)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Na14.90%,B7.03%,H5.24%。
加热X,得无色晶体Y。
Y
含Na23.0%,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
Z2-,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;NaBH8O7Y的最简式;NaBH2O4(各1分;写成水合物也可)
推理过程:
NaB
X变成Y是脱水过程。
X为NaBH2O4•3H2O,贝UY中Na的质量百分数为23/99.8=0.23
(若X是NaBO3•4H2O,贝UY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Z2-离子的立体结构(原子用元素符号表示,共价键用短线表示)
参考图形:
(2004年)第13题(9分)88.1克某过渡金属元素M同134.4升(已换算成标准状况)一氧化碳完全反
应生成反磁性四配位络合物。
该配合物在一定条件下跟氧反应生成与NaCI属同一晶型的氧化物。
1•推断该金属是什么;
2•在一定温度下MO可在三氧化二铝表面自发地分散并形成“单分子层”。
理论上可以计算单层分散
量,实验上亦能测定。
(a)说明MO在三氧化二铝表面能自发分散的主要原因。
(b)三氧化二铝表面上铝离子
的配位是不饱和的。
MO中的氧离子在三氧化二铝表面上形成密置单层。
画出此模型的图形;计算MO在
三氧化二铝(比表面为178m2/g)表面上的最大单层分散量(g/m2)(氧离子的半径为140pm)。
1•(88.1g/MM):
(134.4L/22.4Lmol1)=1:
4(1分)
Mm=58.7gmol^1M是Ni(1分)(共2分)
2•(a)主要原因是混乱度(熵)增加了(从表面化学键角度讨论焓变、熵变和自由能变化也可)。
(1
分)
(b)氧离子在氧化铝表面作密置单层排列,镍离子有规律地填入三角形空隙(图)
1个“NiO”截面:
(2rO2「)2sin120=(2>140沁0一12m)2sin120=6.79X0「20m2(2分)
1m2Al2O3表面可铺NiO数:
1m2/6.79>20m2=1.47>019(1分)
相当于:
74.7gmol1X1.47>019m「2十6.022>023mol1=1.82>0一3g(NiO)/m2(Al2O3)
(1分)(共4分)
(将1个“NiO”截面算成6.78>0一20m2,相应的1m2Al2O3表面可铺NiO数为1.48>019,不扣分。
(2006年)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。
(1分)
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。
11-3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。
11-4
已知磷化硼的晶胞参数a=478pm,计算晶体中硼原子和磷原子的核间距(dB-p)。
(2007)第6题(12分)尿素受热生成的主要产物与NaOH反应,得到化合物A(三钠盐)。
A与氯气反应,得到化合物B,分子式GN3QCI3。
B是一种大规模生产的化工产品,全球年产达40万吨以上,我国年
生产能力达5万吨以上。
B在水中能持续不断地产生次氯酸和化合物C,因此广泛用于游泳池消毒等。
10-1画出化合物A的阴离子的结构式。
10-2画出化合物B的结构式并写出它与水反应的化学方程式。
10-3化合物C有一个互变异构体,给出C及其互变异构体的结构式。
10-4写出上述尿素受热发生反应的配平方程式。
2007第7题(12分)通常,硅不与水反应,然而,弱碱性水溶液能使一定量的硅溶解,生成Si(OH)4。
1-1已知反应分两步进行,试用化学方程式表示上述溶解过程。
早在上世纪50年代就发现了CH5+的存在,人们曾提出该离子结构的多种假设,然而,直至1999年,
才在低温下获得该离子的振动-转动光谱,并由此提出该离子的如下结构模型:
氢原子围绕着碳原子快速
转动;所有C-H键的键长相等。
1-2该离子的结构能否用经典的共价键理论说明?
简述理由。
1-3该离子是()。
A.质子酸B.路易斯酸C.自由基D.亲核试剂
2003年5月报道,在石油中发现了一种新的烷烃分子,因其结构类似于金刚石,被称为“分子钻石”
若能合成,有可能用做合成纳米材料的理想模板。
该分子的结构简图如下:
1-4该分子的分子式为;
1-5该分子有无对称中心?
1-6该分子有几种不同级的碳原子?
1-7该分子有无手性碳原子?
该分子有无手性?
第2题(13分)
化合物SOCI2是一种液态化合物,沸点77C,实验室中可用CaSO3和PC15混合共热制备。
在工业生
产和化学实验中,SOCI2是一种重要的化学试剂。
在盛有10mL水的锥形瓶中小心地滴加8〜10滴SOCI2,可观察到反应剧烈发生,液面上有白雾形成,并逸出刺激性气味的气体。
1.写出CaSO3与PCI5共热制备SOCI2的化学方程式。
2.写出SOCI2与H2O完全反应的化学方程式。
3•设计一些简单实验来验证你写出的化学方程式是正确的。
(只需给出实验原理和现象,无须描述实验仪器和操作)
4.工业上往往用ZnCl2•3H2O和S0CI2混合共热来制取无水ZnCI2。
说明该种制法可行性的原因。
5.S0CI2在有机化学中作氯化剂。
写出苯甲酸和S0CI2反应的化学方程式。
6•为了使(5)生成的有机物与混溶在其中的过量的S0CI2分离,可以采用的分离操作是。
1.CaS03+2PC15=CaCl2+2POCI3+S0C12(2分)
2.S0CI2+H20=S02+2HCI(2分)
3.向水解产物的水溶液中通入H2S气体有淡黄色(硫磺)沉淀析出(2H2S+S02=3SJ+2H20);向
另一份水解产物的水溶液中加入AgN03溶液有白色(AgCI)沉淀析出(Ag++C「=AgCIJ)(4分)
4.直接加热ZnCI2-3H20,由于Zn"水解得不到ZnCI2。
S0CI2与晶体ZnCI2-3H20混合共热时,S0CI2优先于Zn2+与水结合生成HCI,减少了Zn2+与出0反应的程度,同时生成的HCI抑制Zn"水解,最终得到无水ZnCl2。
(2分)
5.|、一:
-C00H+S0CI2亠>—C0CI+S02f+HCI(2分)
6.蒸馏(1分)
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