2020年高考化学二轮复习专题十二 大题题空逐空突破晶胞的结构
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(三)2017高考真题汇编 6.[2017·全国卷Ⅰ,35(4)(5)](4)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料,具有钙 钛矿型的立体结构,边长为a=0.446 nm,晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面 心位置,如图所示。K与O间的最短距离为__0_.3_1_5_(_或__2_2_×__0_.4_4_6_)_ nm,与K紧邻的O个 数为__1_2___。
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解析 分析晶胞结构可知,Fe2+位于棱心和体心,S22-位于顶点和面心,因此每个晶胞
中含有的 Fe2+个数为 12×14+1=4,每个晶胞中含有的 S22-个数为 6×12+8×18=4,
即每个晶胞中含有 4 个 FeS2。一个晶胞的质量=4NMA g,晶胞的体积=(a×10-7)3 cm3, 该晶体的密度=NAa×4M10-73 g·cm-3=N4AMa3×1021 g·cm-3。正八面体的边长即为两个
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解析 金属 Zn 晶体为六方最密堆积方式(A3 型)。六棱柱底边边长为 a cm,则六棱柱 上下面的面积均为 6× 43a2 cm2,则六棱柱的体积为 6× 43a2c cm3,锌原子在六棱柱 的顶点、上下面心和晶胞内,一个晶胞含锌原子个数为 12×16+2×12+3=6,因此一 个晶胞中 Zn 的质量=65N×A 6 g,由此可知,Zn 的密度为NA×66×5×463×a2cg·cm-3。
4.常见离子晶体结构分析 (1)典型离子晶体模型
NaCl型
晶胞
CsCl型
ZnS型
CaF2型
配位数 配位数及 影响因素 影响
因素
6
8
4
F-:4;Ca2+:8
阳离子与阴离子的半径比值越大,配位数越多,另外配位数还 与阴、阳离子的电荷比有关等
密度的计算(a为 晶胞边长,NA为 阿伏加德罗常数)
4×58.5 g·mol-1 168.5 g·mol-1 4×97 g·mol-1
(1)每个原子与另外4个不同种类的原子形成正四面体
结构
4×40 g·mol-1
(2)密度: ρ(SiC)= NA×a3 ;
4×42 g·mol-1
4×41 g·mol-1
ρ(BP)= NA×a3 ;ρ(AlN)= NA×a3
(a为晶胞边长,NA为阿伏加德罗常数)
2.常见分子晶体结构分析
晶体
晶体结构
结构分析
干冰
(1)每8个CO2构成1个立方体且在6个面的面心又各有1个
CO2
(2)每个CO2分子周围紧邻的CO2分子有12个
(3)密度=4×44 g·mol-1
常数)
NA×a3
(a为晶胞边长,NA为阿伏加德罗
白磷
(1)面心立方最密堆积 (2)密度=4×1N2A4×g·am3ol-1 (a为晶胞边长,NA为阿伏加德 罗常数)
3
8×24+16×64
=__4_a__pm。设阿伏加德罗常数的值为NA,则MgCu2的密度是__N__Aa_3_×__1_0_-_3_0__g·cm-3
(列出计算表达式)。
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解析 观察图(a)和图(b)知,4 个铜原子相切并与面对角线平行,有(4x)2=2a2,x= 42a。镁原子堆积方式类似金刚石,有 y= 43a。已知 1 cm=1010 pm,晶胞体积为(a× 10-10)3 cm3,代入密度公式计算即可。
④面心立方最密堆积
如图所示,原子的半径为 r,面对角线为 4r,a=2 2r,V 晶胞=a3=(2 2r)3=16 2r3, 1 个晶胞中有 4 个原子,则空间利用率=VV晶球胞×100%=41×6 432πrr33×100%≈74%。
(3)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1 mol该晶胞中含有x mol 微粒,其质量为xM g(M为微 粒的相对分子质量);若该晶胞的质量为ρa3 g(a3为晶胞的体积),则1 mol晶胞的质量 为ρa3NA g,因此有xM=ρa3NA。
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解析 由题给信息可知,2 mol Li(g)变为2 mol Li+(g)吸收1 040 kJ热量,因此Li原子 的第一电离能为520 kJ·mol-1;0.5 mol氧气生成1 mol氧原子吸收249 kJ热量,因此 O==O键的键能为498 kJ·mol-1;Li2O的晶格能为2 908 kJ·mol-1。
专题十二 大题题空逐空突破(十七)
1 高考必备
1.常见原子晶体结构分析 晶体 晶体结构
结构分析
金刚石
(1)每个C与相邻4个C以共价键结合,形成正四面体结构
(2)键角均为109°28′
(3)最小碳环由6个C组成且6个C不在同一平面内
(4)每个C参与4个C—C键的形成,C原子数与C—C键数之
比为1∶2
空间利用率=晶胞体积×100%,球体积为金属原子的总体积。 ①简单立方堆积 如图所示,原子的半径为 r,立方体的棱长为 2r,则 V 球=43πr3,V 晶胞=(2r)3=8r3, 空间利用率=VV晶球胞×100%=438πrr33×100%≈52%。
②体心立方堆积
如图所示,原子的半径为 r,体对角线 c 为 4r,面对角线 b 为 2a,由(4r)2=a2+b2 得 a= 43r。1 个晶胞中有 2 个原子,故空间利用率=VV晶球胞×100%=2×a433πr3×100% =2×4343rπr33×100%≈68%。
解析 由(4)可知K、I的最短距离为体对角线的一半,I处于顶角,K处于体心,I、O 之间的最短距离为边长的一半,I处于顶角,O处于棱心。
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7.[2017·全国卷Ⅱ,35(4)]R的晶体密度为d g·cm-3,其立方晶胞参数为a nm,晶胞中 含有y个[(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl]单元,该单元的相对质量为M,则y的计算表达式为 _6_0_M2_a_3_d_(_或__a_3Md_N__A_×__1_0_-_2_1)__。 解析 根据密度的定义:d=aN×yA×10M-73 g·cm-3,解得 y=d×a×1M0-73×NA=602Ma3d (或a3MdNA×10-21)。
NA×a3
NA×a3
NA×a3
4×78 g·mol-1 NA×a3
(2)晶格能 ①定义:气态离子形成1摩离子晶体释放的能量。晶格能是反映离子晶体稳定性的数 据,可以用来衡量离子键的强弱,晶格能越大,离子键越强。 ②影响因素:晶格能的大小与阴阳离子所带电荷、阴阳离子间的距离、离子晶体的 结构类型有关。离子所带电荷越多,半径越小,晶格能越大。 ③对离子晶体性质的影响:晶格能越大,形成的离子晶体越稳定,而且熔点越高, 硬度越大。
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(二)2018高考试题汇编 3.[2018·全国卷Ⅰ,35(4)(5)](4)Li2O是离子晶体,其晶格能可通过图(a)的Born-Haber 循环计算得到。
可 知 , Li 原 子 的 第 一 电 离 能 为 __5_2_0__kJ·mol - 1 , O==O 键 键 能 为 _4_9_8___kJ·mol - 1 , Li2O晶格能为__2_9_0_8___kJ·mol-1。
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2.[2019·全国卷Ⅱ,35(4)]一种四方结构的超导化合物的晶胞如图1所示。晶胞中Sm 和As原子的投影位置如图2所示。图中F-和O2-共同占据晶胞的上下底面位置,若两 者的比例依次用x和1-x代表,则该化合物的化学式表示为_S__m_F_e_A_s_O__1-__xF_x_;通过测 定密度ρ和晶胞参数,可以计算该物质的x值,完成它
2 真题演练
(一)2019高考试题汇编
1.[2019·全国卷Ⅰ,35(4)]图(a)是MgCu2的拉维斯结构,Mg以金刚石方式堆积,八面
体空隙和半数的四面体空隙中,填入以四面体方式排列的Cu。图(b)是沿立方格子对
2 角面取得的截图。可见,Cu原子之间最短距离x=__4_a__pm,Mg原子之间最短距离y
3.常见金属晶体结构分析
积
体心 立方堆积
六方 最密堆积
面心立方 最密堆积
晶胞
配位数
6
8
12
12
原子半径(r)和晶胞边 长(a)的关系
2r=a
2r=
3a 2
2r=
2a 2
一个晶胞内原子数目
1
2
2
4
原子空间利用率
52%
68%
74%
74%
(2)金属晶胞中原子空间利用率计算 球体积
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解析 由晶胞结构中各原子所在位置可知,该晶胞中 Sm 的原子个数为 4×12=2,Fe 的原子个数为 1+4×14=2,As 的原子个数为 4×12=2,O 或 F 的原子个数为 8×18+ 2×12=2,即该晶胞中 O 和 F 的个数之和为 2,F-的比例为 x,O2-的比例为 1-x,故 该化合物的化学式为 SmFeAsO1-xFx。 1 个晶胞的质量为2×[150+56+75N+A16×1-x+19x]g=2[281+16N1A-x+19x]g, 1 个晶胞的体积为 a2c pm3=a2c×10-30cm3,故密度 ρ=2[281a+2c1N6A×1-10x-+30 19x]g·cm-3。 原子 2 位于底面面心,其坐标为12,12,0;原子 3 位于棱上,其坐标为0,0,12。
③六方最密堆积
如图所示,原子的半径为 r,底面为菱形(棱长为 2r,其中一个角为 60°),则底面面积 S=2r× 3r=2 3r2,h=236r,V 晶胞=S×2h=2 3r2×2×236r=8 2r3,1 个晶胞中有 2 个原子,则空间利用率=VV晶球胞×100%=28×432πr3r3×100%≈74%。
(5)密度=8×12 g·mol-1 NA×a3
(a为晶胞边长,NA为阿伏加德罗
常数)
SiO2
SiC、 BP、AlN
(1)每个Si与4个O以共价键结合,形成正四面体结构 (2)每个正四面体占有1个Si,4个“ 12O”,因此二氧化 硅晶体中Si与O的个数比为1∶2
(3)最小环上有12个原子,即6个O,6个Si (4)密度=8×6N0A×g·ma3ol-1 (a为晶胞边长,NA为阿伏加 德罗常数)
面心点的距离,因此正八面体的边长为
2 2a
nm。
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5.[2018·全国卷Ⅲ,35(5)]金属Zn晶体中的原子堆积方式如图所示,这种堆积方式称 为_六__方__最__密__堆__积__(_A_3_型__)_。六棱柱底边边长为a cm,高为c cm,阿伏加德罗常数的值
65×6 为NA,Zn的密度为__N_A_×__6_×___43_×__a_2_c__g·cm-3(列出计算式)。
2[281+161-x+19x] 们关系表达式:ρ=_____a_2_c_N_A_×__1_0_-__30_____g·cm-3。 以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞 中各原子的位置,称作原子分数坐标,例如图1中 原子1的坐标为 12,12,12, 则原子2和3的坐标分别 为_12_,__12_,__0__、__0_,__0_,__12__。
解析 根据晶胞结构可知,K 与 O 间的最短距离为面对角 线的一半,即 2×20.446nm≈0.315 nm。K、O 构成面心立 方,配位数为 12(同层 4 个,上、下层各 4 个)。
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(5)在KIO3晶胞结构的另一种表示中,I处于各顶角位置,则K处于_体__心___位置,O处 于_棱__心___位置。
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4.[2018·全国卷Ⅱ,35(5)]FeS2晶体的晶胞如图(c)所示。晶胞边长为a nm、FeS2相对 式量为M、阿伏加德罗常数的值为NA,其晶体密度的计算表达式为_N_4A_Ma_3_×__1_0_2_1 g·cm-3;
2 晶胞中Fe2+位于 S22-所形成的正八面体的体心,该正八面体的边长为__2__a_nm。
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(5)Li2O具有反萤石结构,晶胞如图(b)所示。已知晶胞参数为0.466 5 nm,阿伏加德 8×7+4×16
罗常数的值为NA,则Li2O的密度为__N__A_0_._4_6_6_5_×__1_0_-_7__3_g·cm-3(列出计算式)。
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解析 由题给图示可知,Li 位于晶胞内部,O 位于顶点和面心,因此一个晶胞有 8 个 Li,O 原子个数=6×12+8×18=4。因此一个 Li2O 晶胞的质量为8×7+NA4×16 g,一个 晶胞的体积为(0.466 5×10-7)3 cm3,即该晶体的密度为NA80×.4676+54××1106-73 g·cm-3。
(三)2017高考真题汇编 6.[2017·全国卷Ⅰ,35(4)(5)](4)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料,具有钙 钛矿型的立体结构,边长为a=0.446 nm,晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面 心位置,如图所示。K与O间的最短距离为__0_.3_1_5_(_或__2_2_×__0_.4_4_6_)_ nm,与K紧邻的O个 数为__1_2___。
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解析 分析晶胞结构可知,Fe2+位于棱心和体心,S22-位于顶点和面心,因此每个晶胞
中含有的 Fe2+个数为 12×14+1=4,每个晶胞中含有的 S22-个数为 6×12+8×18=4,
即每个晶胞中含有 4 个 FeS2。一个晶胞的质量=4NMA g,晶胞的体积=(a×10-7)3 cm3, 该晶体的密度=NAa×4M10-73 g·cm-3=N4AMa3×1021 g·cm-3。正八面体的边长即为两个
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解析 金属 Zn 晶体为六方最密堆积方式(A3 型)。六棱柱底边边长为 a cm,则六棱柱 上下面的面积均为 6× 43a2 cm2,则六棱柱的体积为 6× 43a2c cm3,锌原子在六棱柱 的顶点、上下面心和晶胞内,一个晶胞含锌原子个数为 12×16+2×12+3=6,因此一 个晶胞中 Zn 的质量=65N×A 6 g,由此可知,Zn 的密度为NA×66×5×463×a2cg·cm-3。
4.常见离子晶体结构分析 (1)典型离子晶体模型
NaCl型
晶胞
CsCl型
ZnS型
CaF2型
配位数 配位数及 影响因素 影响
因素
6
8
4
F-:4;Ca2+:8
阳离子与阴离子的半径比值越大,配位数越多,另外配位数还 与阴、阳离子的电荷比有关等
密度的计算(a为 晶胞边长,NA为 阿伏加德罗常数)
4×58.5 g·mol-1 168.5 g·mol-1 4×97 g·mol-1
(1)每个原子与另外4个不同种类的原子形成正四面体
结构
4×40 g·mol-1
(2)密度: ρ(SiC)= NA×a3 ;
4×42 g·mol-1
4×41 g·mol-1
ρ(BP)= NA×a3 ;ρ(AlN)= NA×a3
(a为晶胞边长,NA为阿伏加德罗常数)
2.常见分子晶体结构分析
晶体
晶体结构
结构分析
干冰
(1)每8个CO2构成1个立方体且在6个面的面心又各有1个
CO2
(2)每个CO2分子周围紧邻的CO2分子有12个
(3)密度=4×44 g·mol-1
常数)
NA×a3
(a为晶胞边长,NA为阿伏加德罗
白磷
(1)面心立方最密堆积 (2)密度=4×1N2A4×g·am3ol-1 (a为晶胞边长,NA为阿伏加德 罗常数)
3
8×24+16×64
=__4_a__pm。设阿伏加德罗常数的值为NA,则MgCu2的密度是__N__Aa_3_×__1_0_-_3_0__g·cm-3
(列出计算表达式)。
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解析 观察图(a)和图(b)知,4 个铜原子相切并与面对角线平行,有(4x)2=2a2,x= 42a。镁原子堆积方式类似金刚石,有 y= 43a。已知 1 cm=1010 pm,晶胞体积为(a× 10-10)3 cm3,代入密度公式计算即可。
④面心立方最密堆积
如图所示,原子的半径为 r,面对角线为 4r,a=2 2r,V 晶胞=a3=(2 2r)3=16 2r3, 1 个晶胞中有 4 个原子,则空间利用率=VV晶球胞×100%=41×6 432πrr33×100%≈74%。
(3)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1 mol该晶胞中含有x mol 微粒,其质量为xM g(M为微 粒的相对分子质量);若该晶胞的质量为ρa3 g(a3为晶胞的体积),则1 mol晶胞的质量 为ρa3NA g,因此有xM=ρa3NA。
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解析 由题给信息可知,2 mol Li(g)变为2 mol Li+(g)吸收1 040 kJ热量,因此Li原子 的第一电离能为520 kJ·mol-1;0.5 mol氧气生成1 mol氧原子吸收249 kJ热量,因此 O==O键的键能为498 kJ·mol-1;Li2O的晶格能为2 908 kJ·mol-1。
专题十二 大题题空逐空突破(十七)
1 高考必备
1.常见原子晶体结构分析 晶体 晶体结构
结构分析
金刚石
(1)每个C与相邻4个C以共价键结合,形成正四面体结构
(2)键角均为109°28′
(3)最小碳环由6个C组成且6个C不在同一平面内
(4)每个C参与4个C—C键的形成,C原子数与C—C键数之
比为1∶2
空间利用率=晶胞体积×100%,球体积为金属原子的总体积。 ①简单立方堆积 如图所示,原子的半径为 r,立方体的棱长为 2r,则 V 球=43πr3,V 晶胞=(2r)3=8r3, 空间利用率=VV晶球胞×100%=438πrr33×100%≈52%。
②体心立方堆积
如图所示,原子的半径为 r,体对角线 c 为 4r,面对角线 b 为 2a,由(4r)2=a2+b2 得 a= 43r。1 个晶胞中有 2 个原子,故空间利用率=VV晶球胞×100%=2×a433πr3×100% =2×4343rπr33×100%≈68%。
解析 由(4)可知K、I的最短距离为体对角线的一半,I处于顶角,K处于体心,I、O 之间的最短距离为边长的一半,I处于顶角,O处于棱心。
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7.[2017·全国卷Ⅱ,35(4)]R的晶体密度为d g·cm-3,其立方晶胞参数为a nm,晶胞中 含有y个[(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl]单元,该单元的相对质量为M,则y的计算表达式为 _6_0_M2_a_3_d_(_或__a_3Md_N__A_×__1_0_-_2_1)__。 解析 根据密度的定义:d=aN×yA×10M-73 g·cm-3,解得 y=d×a×1M0-73×NA=602Ma3d (或a3MdNA×10-21)。
NA×a3
NA×a3
NA×a3
4×78 g·mol-1 NA×a3
(2)晶格能 ①定义:气态离子形成1摩离子晶体释放的能量。晶格能是反映离子晶体稳定性的数 据,可以用来衡量离子键的强弱,晶格能越大,离子键越强。 ②影响因素:晶格能的大小与阴阳离子所带电荷、阴阳离子间的距离、离子晶体的 结构类型有关。离子所带电荷越多,半径越小,晶格能越大。 ③对离子晶体性质的影响:晶格能越大,形成的离子晶体越稳定,而且熔点越高, 硬度越大。
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(二)2018高考试题汇编 3.[2018·全国卷Ⅰ,35(4)(5)](4)Li2O是离子晶体,其晶格能可通过图(a)的Born-Haber 循环计算得到。
可 知 , Li 原 子 的 第 一 电 离 能 为 __5_2_0__kJ·mol - 1 , O==O 键 键 能 为 _4_9_8___kJ·mol - 1 , Li2O晶格能为__2_9_0_8___kJ·mol-1。
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2.[2019·全国卷Ⅱ,35(4)]一种四方结构的超导化合物的晶胞如图1所示。晶胞中Sm 和As原子的投影位置如图2所示。图中F-和O2-共同占据晶胞的上下底面位置,若两 者的比例依次用x和1-x代表,则该化合物的化学式表示为_S__m_F_e_A_s_O__1-__xF_x_;通过测 定密度ρ和晶胞参数,可以计算该物质的x值,完成它
2 真题演练
(一)2019高考试题汇编
1.[2019·全国卷Ⅰ,35(4)]图(a)是MgCu2的拉维斯结构,Mg以金刚石方式堆积,八面
体空隙和半数的四面体空隙中,填入以四面体方式排列的Cu。图(b)是沿立方格子对
2 角面取得的截图。可见,Cu原子之间最短距离x=__4_a__pm,Mg原子之间最短距离y
3.常见金属晶体结构分析
积
体心 立方堆积
六方 最密堆积
面心立方 最密堆积
晶胞
配位数
6
8
12
12
原子半径(r)和晶胞边 长(a)的关系
2r=a
2r=
3a 2
2r=
2a 2
一个晶胞内原子数目
1
2
2
4
原子空间利用率
52%
68%
74%
74%
(2)金属晶胞中原子空间利用率计算 球体积
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解析 由晶胞结构中各原子所在位置可知,该晶胞中 Sm 的原子个数为 4×12=2,Fe 的原子个数为 1+4×14=2,As 的原子个数为 4×12=2,O 或 F 的原子个数为 8×18+ 2×12=2,即该晶胞中 O 和 F 的个数之和为 2,F-的比例为 x,O2-的比例为 1-x,故 该化合物的化学式为 SmFeAsO1-xFx。 1 个晶胞的质量为2×[150+56+75N+A16×1-x+19x]g=2[281+16N1A-x+19x]g, 1 个晶胞的体积为 a2c pm3=a2c×10-30cm3,故密度 ρ=2[281a+2c1N6A×1-10x-+30 19x]g·cm-3。 原子 2 位于底面面心,其坐标为12,12,0;原子 3 位于棱上,其坐标为0,0,12。
③六方最密堆积
如图所示,原子的半径为 r,底面为菱形(棱长为 2r,其中一个角为 60°),则底面面积 S=2r× 3r=2 3r2,h=236r,V 晶胞=S×2h=2 3r2×2×236r=8 2r3,1 个晶胞中有 2 个原子,则空间利用率=VV晶球胞×100%=28×432πr3r3×100%≈74%。
(5)密度=8×12 g·mol-1 NA×a3
(a为晶胞边长,NA为阿伏加德罗
常数)
SiO2
SiC、 BP、AlN
(1)每个Si与4个O以共价键结合,形成正四面体结构 (2)每个正四面体占有1个Si,4个“ 12O”,因此二氧化 硅晶体中Si与O的个数比为1∶2
(3)最小环上有12个原子,即6个O,6个Si (4)密度=8×6N0A×g·ma3ol-1 (a为晶胞边长,NA为阿伏加 德罗常数)
面心点的距离,因此正八面体的边长为
2 2a
nm。
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5.[2018·全国卷Ⅲ,35(5)]金属Zn晶体中的原子堆积方式如图所示,这种堆积方式称 为_六__方__最__密__堆__积__(_A_3_型__)_。六棱柱底边边长为a cm,高为c cm,阿伏加德罗常数的值
65×6 为NA,Zn的密度为__N_A_×__6_×___43_×__a_2_c__g·cm-3(列出计算式)。
2[281+161-x+19x] 们关系表达式:ρ=_____a_2_c_N_A_×__1_0_-__30_____g·cm-3。 以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞 中各原子的位置,称作原子分数坐标,例如图1中 原子1的坐标为 12,12,12, 则原子2和3的坐标分别 为_12_,__12_,__0__、__0_,__0_,__12__。
解析 根据晶胞结构可知,K 与 O 间的最短距离为面对角 线的一半,即 2×20.446nm≈0.315 nm。K、O 构成面心立 方,配位数为 12(同层 4 个,上、下层各 4 个)。
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(5)在KIO3晶胞结构的另一种表示中,I处于各顶角位置,则K处于_体__心___位置,O处 于_棱__心___位置。
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4.[2018·全国卷Ⅱ,35(5)]FeS2晶体的晶胞如图(c)所示。晶胞边长为a nm、FeS2相对 式量为M、阿伏加德罗常数的值为NA,其晶体密度的计算表达式为_N_4A_Ma_3_×__1_0_2_1 g·cm-3;
2 晶胞中Fe2+位于 S22-所形成的正八面体的体心,该正八面体的边长为__2__a_nm。
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(5)Li2O具有反萤石结构,晶胞如图(b)所示。已知晶胞参数为0.466 5 nm,阿伏加德 8×7+4×16
罗常数的值为NA,则Li2O的密度为__N__A_0_._4_6_6_5_×__1_0_-_7__3_g·cm-3(列出计算式)。
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解析 由题给图示可知,Li 位于晶胞内部,O 位于顶点和面心,因此一个晶胞有 8 个 Li,O 原子个数=6×12+8×18=4。因此一个 Li2O 晶胞的质量为8×7+NA4×16 g,一个 晶胞的体积为(0.466 5×10-7)3 cm3,即该晶体的密度为NA80×.4676+54××1106-73 g·cm-3。