碳硅硼竞赛试题

碳、硅、硼 2013.5.18

（2010第3题 ）（2010第7题 ）（内蒙07－五，08－4，09－3，10－4，11－4） 一结构

1.(06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 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。

Br

BrBPBr

BrBrBr (画不画磷上的孤对电子不影响得分）

平面三角形 三角锥

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。

( 注：填入另外四个四面体空隙也可，但不能一层空一层填） 11-4 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）。

dB-P＝13a?13?478pm?207pm

442212?11??1?? 或 dB-P＝??2a3a?207pm ????a???4??4?????4?11-5 画出磷化硼正当晶胞沿着体对角线方向的投影（用实线圆圈表示P原子的投影，用虚线圆圈表示B原子的投影）。

2.金刚石晶胞如下图：在立方体的8 个顶角处，6个面心处各有1个碳原子；

另外将大立方体分为8个小立方体，在相间的小立方体的体心处各有1个C 原子。若将金刚石晶胞中的C原子全部换为Si 原子，同时在每个C-C键中点处添一个O原子，则构成了白硅石SiO2的晶胞。

4-1写出碳、硅原子（基态）的核外电子排布式； 4-2在SiO2晶体中有多少个Si 原子，多少个O原子？ 4-3该晶体属什么晶系？什么晶格型式？结构基元是什么？ 4-4 Si 原子的配位数是多少？O原子的配位数是多少？

4-5假设Si 、O原子间的最近距离为1.537×10-8 cm ，试求SiO2晶体的密度（g/cm3）.

(相对原子质量：O 16 ，Si 28 )

4-1 C ：1s22s22p2 Si : 1s22s22p63s23p2 4-2 8 16 4-3 立方晶系 ，面心立方晶格型式，结构基元 Si2O4 4-4

3a = 8× (1.537 × 10-8 ) 故 a=7.099×10-8 (cm)

1

ZM=ρV

No8?28?16?16-83

=ρ×( 7.099×10) 所以 ρ=2.229 (g/cm3 ) 236.02?103.SiC具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性及较高的高温强度等特点，已成为一种重要的工程材料。其晶体具有六方ZnS型结构，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（0，0，1/8）和（2/3，1/3，1/8）。

1）．按比例画出SiC六方晶胞。 2）．每个晶胞中含有SiC 个。

3）．晶体中Si的堆积型式是 。C填充的空隙类型是 ，占有率 。 4）．列式计算C－Si健长。

1）．（2分）

2）．2（1分）

3）．六方最密堆积 四面体空隙 50%（各1分） 4）．(1－5/8)c＝189pm（2分）

4.硅酸盐在自然界中分布极广，几乎在所有的硅酸盐矿物中，Si原子都和4个O原子结合成四面体的[SiO4]单元（图1），图中○表示“O”，⊙表示“Si—O”），[SiO4]单元既可以是分立的，，也可以和其它四面体共用顶点连接各种各样的链状结构（如图2）、环状结构（图3）

（1）形成硅氧四面体是硅与氧成键的一个重要特征，试再举两种含有[SiO4]单元的物质（要

求不同种类） 。

（2）图1为SiO44，图2、图3所示硅酸盐离子的符号 、

—

（3）由13个正四面体结合成的环状结构Si13O3722离子中，其中有 个正四面

—

体和另外的四面体共享2个顶点、 个和另外的四面体共享3个顶点。 （1）SiO2或H4SiO4或其它合理答案 （2）Si3O108，Si3O96

—

—

（3）9个，4个

5.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存在，且C60可

－

－

2

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。 (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。

－

(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。 (3) 计算预测C60球内可容纳的掺杂原子的半径。

(1) KC60 面心立方晶胞 体心和棱心 710pm (各1分,共4分) (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(C)?a?1420?502pm

602222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)=0.414×502=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)

(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

6.（2011安徽36）．（本题16分）下面的左图是钾的石墨插层化合物的晶胞图（图中大球表示K原子，小球表示C原子），下面的右图是晶胞沿c轴方向的投影。

⑴试推出一个晶胞中有几个K原子和C原子（写出推导过程）？ ⑵该插层化合物的化学式是 。 ⑶K层与C层之间的作用力是 。 ⑷K层中K原子之间的最近距离是C-C键的键长dC-C的 倍。 ⑸如果K层中的K原子之间的距离增加到 4 √ 3 物的化学式是 。

⑴K：4×

1

4

2

dC-C，则这种K的插层化合

⑹用图中插层化合物的化学式作反应物，写出其与水反应的两种反应的化学方程式。

+4× 2

1

+5=1+2+5=8（个）（2分）

C：4×(8× 1 ⑵C8K（2分）

+12)= 4×16=64（个）（2分）

3

⑶离子键（2分） ⑷ 2 √3

（2分）⑸KC32（2分）⑹C8K+H2O=KOH+ C8H（2分） 2C8K+2H2O=C16（石墨）+2KOH+H2↑（2分）

7.最简单的二元硼氮化合物可以通过下列反应合成： B2O3(l) + 2NH3(g)

2BN(s) + 3H2O(g)

反应产生的氮化硼的结构与石墨结构相类似，但上、下层平行，B、N原子相互交替（见图）。层内B－N核间距为145pm，面间距为333pm。请回答下列问题： ⑴试画出层状六方氮化硼的晶胞。 ⑵写出晶胞中各原子的原子坐标。 ⑶试计算层状六方氮化硼晶体的密度。

⑷在高压(60kbar)、高温(2000℃)下，层状六方氮化硼晶体可转化为

立方氮化硼，它与金刚石有类似结构。若立方氮化硼晶胞的边长为361.5pm， 试计算立方氮化硼晶体中B－N键的键长。 37. （8分） ⑴（2分）

⑵B原子 (0,0,0) (1,3N原子 (0,0,

1223,1)或(22323,1,1) （1分） 3223) (1,3,0)或(

,1,0) （1分） 3BNρ⑶⑷dB-N=

2×(10.81+14.01)g·mol-16.022×1023mol-1×(3×145)2×22×2×333×10-30cm32.27g·cm-3

34a=

34×361.5=156.5pm

二．推断

1.均由短周期元素组成的二元化合物A与配位化合物B能在乙醚（溶剂）中反应，生成化合物C、D、E；C是一种易分解、易自燃的气体化合物，与A具有相同的空间结构；D、E在乙醚中都能溶解，但它们都是金属化合物，其中D是共价化合物，而E是离子化合物；E也能溶于水，但水溶液显酸性，电解熔融的E可用于制备其金属。

1）．写出A、B、C、D、E的化学式； 2）．写出A＋B→C＋D＋E的化学方程式；

3）．写出由氧化物制备A、B与水反应、C自燃的反应方程式； 4）．写出D在乙醚中的存在形式；

5）．用反应式表示E在水溶液中显酸性的原因。 6）．请写出用另一种方法制备C的反应方程式。

1）．A：SiCl4 B：Li[AlH4] C：SiH4 D：AlCl3 E：LiCl（各1分）

4

2）．SiCl4＋Li[AlH4]＝LiCl＋SiH4＋AlCl3（在乙醚中）（1分）

3）．SiO2＋2C＋2Cl2＝SiCl4＋2CO Li[AlH4]＋4H2O＝LiOH＋Al(OH)3＋4H2↑

SiH4＋3O2＝SiO2＋2H2O（各1分） 4）．(C2H5)2O→AlCl3（1分）

＋5）．Li＋H2O

LiOH＋H＋（1分）

6）．SiO2＋4Mg＝Mg2Si＋2MgO Mg2Si＋4H2O＝2Mg(OH)2＋SiH4↑（各1分） 2.下列六种化合物（A－F）中含有的元素不多于三种，且分子内所含X、Y元素的质量分数及化合物的部分性质列于下表。

化合物 ω（x） ω（y） 常压下t℃的密度g/cm3 沸点/℃ 熔点/℃ 分子极性 A 0.1653 0.8347 1.448 (20℃) 57 -70.4 非极性 B 0.2069 0.7852 1.145 （-113℃) 30.4 -118 极性 C 0.2781 0.7019 1.42 (-122℃) 8.3 -122 极性 D 0.4211 0.5338 2.973×10-3 (0℃) -12 -130 极性 E 0.8743 0 0.68 (-168℃) -111.8 -185 非极性 F 0.2089 0.7911 — 145 3 － 根据上表有关信息回答下列问题： （１） 计算化合物D的相对分子质量。

（２） 确定六种化合物的化学式，写出推理和计算过程。 (1) 66.5 (2分)

(2) 要点之一：D中所含的另一种元素的总式量为：66.5×(1-0.4211-0.5338)=3,元素的相对原子质量比3小的唯有H元素，故D分子中必有3个氢原子。 (2分)

要点之二：据要点之一，推定E为氢化物，设其分子式为XHn ,X的相对原子质量为a,则：

0.87430.1257:?1:n，a=7n，经讨论，当n=4，a=28时符合题意。因此X为Si a1要点之三：据要点一与要点二可立即假设D为SiH3Y。 (1分) 要点之四：设Y的相对原子质量为b,据

0.42110.5338:?1:1 得b=35.5，故Y是Cl 28b要点之五：由F中X、Y的质量分数，可求得其最简式为SiCl3，从价态不难得出F的分子式为Si2Cl6

因此各物质分别为：A.SiCl4； B.SiHCl3； C.SiH2Cl2； D.SiH3Cl； E.SiH4； F.Si2Cl6

3.硼是一种重要的非金属元素,单质硼可以通过硼镁矿Mg2B2O5·H2O 来制取,先将硼镁矿用浓NaOH处理分解,得到NaBO2,然后向浓NaBO2溶液中通入CO2调节碱度,浓缩后用结晶析出硼砂Na2B4O7·10H2O ,将硼砂溶于水后,用H2SO4调节酸度析出硼酸晶体,加热硼酸脱水后用镁还原得到粗单质硼.

(1)写出由硼镁矿Mg2B2O5·H2O制取硼的化学方程式

(2)将制得的粗硼在一定条件下反应全部生成BI3,然后使BI3热分解可以得到纯净的单质硼.0.20g粗硼制成的BI3分解得到的I2全部收集后,用2.00 mol· L-1 的Na2S2O3 滴定,用去27.00mL 溶液,求粗硼中的硼含量,

5

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