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晶体结构与性质
石墨烯(Graphene)自十几年前诞生以来就一直让科学家们着迷。这种仅仅一个原子厚度的碳元素材料拥有出色的电子特性、强度、超轻重量,用途也不断拓宽,但是如何为其植入能隙(半导体或是绝缘体的价带顶端至传导带底端的能量差距),从而制造晶体管和其他电子设备,却始终让科研人员束手无策。 现在,麻省理工学院(MIT)的研究人员在这方面取得了重大突破,甚至有望改变石墨烯物理学的一些理论预测。他们引入了另一种单原子厚度、属性和石墨烯类似的材料六方氮化硼(hexagonal boron nitride),并将一层石墨烯置于其上,最终得到的混合材料既有石墨烯的导电特性,还具备了建造晶体管所必需的能隙。
问题1.请阅读材料分析,石墨烯中为何可以加入六方氮化硼?(素养角度——宏观辨识与微观探析) 提示:石墨烯的结构与六方氮化硼的空间结构很相似,两者可以通过原子框架对齐排列而成。
问题2.六方相氮化硼晶体结构与石墨相似,但它却不导电,原因是什么?(素养角度——证据推理与模型认知)
提示:六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻3个氮原子形成3个σ键,无孤电子对,其结构与石墨相似,但六方相氮化硼晶体的层状结构中没有自动移动的电子,故不导电。
问题3.将石墨烯中引入六方氮化硼的好处是什么?(素养角度——科学态度与社会责任) 提示:可以得到高质量的半导体。
问题4.六方氮化硼晶体内B-N键数与硼原子数之比为多少?(素养角度——宏观辨识与微观探析)
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提示:3∶1。每个六元环上有3个B原子、3个N原子,有6个B—N键,而每个B—N键为一个六元环贡献率
为,每个B原子为一个六元环贡献率为,六元环单独占有B—N数目为6×=3,单独占有B原子数为
3×=1,所以B—N键数与硼原子数之比为3∶1。
问题5.已知六方氮化硼同层中B与N原子核之间的距离为a cm,相邻层与层之间的距离为b cm,列出该晶体的密度的表达式。(素养角度——证据推理与模型认知) 提示:
g·cm。以一个六棱柱为研究单位,则一个六棱柱中含有的B和N原子均为6×=1,因
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此一个六棱柱的体积是ab cm,一个六棱柱的质量为
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g,根据ρ
===g·cm。
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1.钻石的魅力在于它经过大自然千百万年的孕育,再经打磨,能放射出闪烁的光芒。钻石就是经过打磨的金刚石,已知金刚石的网状结构如图所示,由此可看出在含有共价键形成的碳原子环中,其中最小的环上所需碳原子数及每个碳原子上任意两个C—C键间的夹角是 ( )
A.6个 120° C.4个 109°28′
B.5个 108°
D.6个 109°28′
【解析】选D。根据金刚石的晶体结构特点可知,最小环上碳原子数为6个,每个碳原子与相连的4个碳原子形成小的正四面体,因而任意两个C—C键夹角为109°28′。
2.铁镁合金是目前已发现的储氢密度较高的储氢材料之一,其晶胞结构如图所示(黑球代表Fe,白球代表Mg)。则下列说法不正确的是 ( )
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A.铁镁合金的化学式为Mg2Fe B.晶体中存在的化学键类型为金属键 C.晶格能:氧化钙>氧化镁 D.该晶胞的质量是
g(NA表示阿伏加德罗常数的值)
【解析】选C。依据均摊规则,晶胞中共有8×1/8+6×1/2=4个铁原子,8个镁原子,故铁镁合金的化学式为Mg2Fe,故A正确;构成该晶体的元素均为金属元素,所以存在的化学键类型为金属键,故B正确;在元素周期表中,镁元素在钙元素的上一周期,故Mg半径比Ca半径小,氧化镁的晶格能较氧化钙大,故C错误;一个晶胞中含有4个“Mg2Fe”,该晶胞的质量为(【加固训练】
1.美国lawrence livermore国家实验室的V·Lota·C·S·Yoo和H·Cynn成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结构的晶体,下列关于CO2的原子晶体的说法正确的是 ( ) A.CO2的原子晶体和分子晶体互为同分异构体
B.在一定的条件下,CO2的原子晶体转化为分子晶体是物理变化 C.CO2的原子晶体和分子晶体具有相同的物理性质和化学性质
D.在CO2的原子晶体中,每一个碳原子周围结合4个氧原子,每一个氧原子跟两个碳原子结合
【解析】选D。二氧化碳的原子晶体的化学式是原子个数比,不是分子组成,分子晶体是分子式表示分子组成,二者不具有相同的分子式,不属于同分异构体,选项A错误;二氧化碳分子晶体和二氧化碳原子晶体的构成微粒不同,空间构型不同,所以其物理性质不同。二氧化碳原子晶体和二氧化碳分子晶体属于不同物质,所以在一定条件下,CO2原子晶体转化为分子晶体是化学变化不是物理变化,即二者之间的转化是化学变化,选项B、C错误;利用知识迁移的方法分析,把二氧化硅结构中的硅原子替换成碳原子,所以在二氧化碳的原子晶体中,每个碳原子周围结合4个氧原子,每个氧原子跟两个碳原子相结合,选项D正确。
2.现代无机化学对硫-氮化合物的研究是最为活跃的领域之一。如图是已经合成的最著名的硫-氮化合物的分子结构。下列说法正确的是 ( )
×104) g=
g,故D正确。
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2021版高考化学一轮复习第5章4晶体结构与性质练习(含解析)鲁科版
