高中化学碳族元素和硼族元素竞赛解析

1．写出 CaSO3 与 PCl 5 共热制备 SOCl 2 的化学方程式。
1．（ 88.1g/M M ）︰（ 134.4L/22.4L ·mol －1）＝ 1︰ 4（ 1 分）
M M ＝ 58.7g ·mol －1 M 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） 分）
。（ 1
(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）
（若 X 是 NaBO 3· 4H2O，则 Y 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 Z 2-离子的立体结构（原子用元素符号表示，共价键用短线表示）
。
HO B
HO
2-
O
O
OH
O
B OH
O
(5 分； 不写“ 2－”不扣分。 )
参考图形：
1分)
碱土金属 因为 Al 14 容易失去 2 个电子而呈现 +2 价 (1 分 )
MZ (2) 根据晶体密度公式可得： V
NA
27 4 6.02 10 23 2.7
a 3 故晶胞参数 α=405pm
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：
2a 4r
2
2
r
a
405 pm 143 pm
22 22
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 ×r(堆积 )=0.414 5×02=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
分)
11-3 因 r(C60)=502pm ，所以 C60 球心到 C 原子中心的距离为： 502-170=332 pm 所以空腔半径，即 C60 球内可容纳原子最大半径为： 332-170=162 pm
SiH4+2O 2
SiO2+2H 2O
(2) 在 N 2保护下 (或惰性气体 )，对硅烷气体进行检验。
SiH 4+2KMnO 4
H 2+K 2SiO 3+2MnO 2↓ + H2 O (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
第 3 题 (共 11 分 )2005 年 1 月美国科学家在 Science 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 Al 13 或 Al 14
）。
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？
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
如果为 C60－顶点，那么 K+所处的位置是
－ 中心的距离是
pm。
；晶胞类型为
； ；处于八面体空隙中心的
K+到最邻近的 C60
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。
相当于：
74.7g ·mol－1×1.47
×1019
－
m
2÷
6.022
×1023
mol －1＝ 1.82
×10
－
3
g(NiO)/m
2(Al
2O 3)
（1 分）（共 4 分）
（将 1 个“ NiO ”截面算成 6.78 ×10－20 m2，相应的 1m2Al 2O3 表面可铺 NiO 数为 1.48 ×1019，不扣分。
2.7g/cm 3，请估算 Al 13
和 Al 14：中 Al —Al 的键长。
(3) Al 13 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
(Al
13
Al
2+ 14
)
(2
分，各
（ 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。 BBr 3＋PBr 3＋ 3H 2＝ BP＋ 6HBr
11-2.分别画出三溴化硼分子和三溴化磷分子的结构。
（ 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
NaCl 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
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－存在，且
C
－
60
可近似看作与
X 的最简式； NaBH 8O7 Y 的最简式； NaBH 2O4 ( 各 1 分；写成水合物也可 )
推理过程： Na
B
H
O
14.90/23.0 = 0.648 7.03/10.8 = 0.651 5.24/1.008= 5.20 72.83/16.0=4.55
1
1
8
7
X 变成 Y 是脱水过程。 X 为 NaBH 2O4· 3H 2O, 则 Y 中 Na 的质量百分数为 23/99.8 = 0.23
Br
B
Br
Br
平面三角形
（ 1 分）
P
Br
Br Br
(画不画磷上的孤对电子不影响得分）
三角锥
（2 分）
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
( 注：填入另外四个四面体空隙也可，但不能一层空一层填）
（ 2 分）
已知磷化硼的晶胞参数 a = 478 pm，计算晶体中硼原子和磷原子的核间距（ dB-P ）。
超原子结构，量子化学计算结果表明， Al 13 形成 12 个 Al 在表面， 1 个 Al 在中心的三角二十面体结构， Al 14
可以看作是一个 Al 原子跟 Al 13 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， Al l3 和
Al l4 超原子都是具有 40 个价电子Fra Baidu bibliotek最稳定。
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 SOCl2 是一种液态化合物，沸点 77℃，实验室中可用 CaSO3 和 PCl5 混合共热制备。在工业生
产和化学实验中， SOCl2 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 SOCl2， 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。
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 HCl 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 HCl 洗涤时突然起火 ?
。
（密置层 1 分，填隙 1 分，共 2 分）
1 个“ NiO ”截面：
(2
r
2 O
－
)2sin120
＝°(2 ×140 ×10－12m)2sin120
＝°6.79
×10－20m2（ 2 分）
1m2Al 2O3 表面可铺 NiO 数： 1m2/6.79 1×0－ 20m2＝ 1.47 ×1019（ 1 分）
1 6R r R
2
所以 r
6 (
1)R 0.225R
0.225 143 pm
32.2Pm (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 Na 14.90％， B 7.03 % ， H 5.24 % 。加热 X，得无色晶体 Y。 Y
(2) 请设计一个实验来验证你的解释。 简明指出方法。 )
(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
1． (共 6分 ) (1) ① 2HCl+MgO
H2O+MgCl 2
2HCl+Mg
H2↑ +MgC2l
② SiO2+4Mg
Mg 2Si +2MgO
Mg 2Si+4HCl
SiH 4+2MgCl 2
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（
应，得到化合物 B，分子式 C3N3O3Cl 3。 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。
dB-P＝ 1 3a 1 3 478pm 207pm
4
4
或 dB-P＝
( 2 分)
11-5 画出磷化硼正当晶胞沿着体对角线方向的投影 B 原子的投影） 。
（用实线圆圈表示 P 原子的投影， 用虚线圆圈表示
( 4 分)
（ 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
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。
含 Na 23.0% ，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 Z 2- ，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。
X 和 Y 的晶体中有同一种阴离子
4－ 1 写出 X、 Y 的最简式，给出推理过程。
4
4
所以估计 Al-Al 键长约为： 2r= 2×143pm=286pm (3 分)
(3) 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
r，
则正四面体边长 b=2R ，立方体边长 2R ，
1
立方体对角线为： [( 2R)2 (2R)2 ] 2 6R
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 )
11-1 KC 60 面心立方晶胞 体心和棱心 710pm ( 各 1 分 ,共 4 分) 11-2 C60 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：
r (C60 )
a
1420 502 pm
(1) 根据以上信息可预测 Al 13 和 Al 14 的稳定化合价态分别为
和
。 A1 14 应具有元素周期表中
哪
类化学元素的性质，理由是：
(2) 对 Al 13 和 A1 14 的 Al — Al 键长的测定十分困难，而理论计算表明， Al 13 和 Al 14 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
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
178
m
2
/g）表面上的最大单层分散量（
g/m2）（氧离子的半径为 140 pm）。