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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?

(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) (1) ① 2HCl+MgO 2HCl+Mg ② SiO2+4Mg Mg2Si+4HCl SiH4+2O2

H2O+MgCl2

H2↑+MgCl2 Mg2Si +2MgO SiH4+2MgCl2 SiO2+2H2O

(2) 在N2保护下(或惰性气体)，对硅烷气体进行检验。 SiH4+2KMnO4

H2+K2SiO3+2MnO2↓+ H2O (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存在，且C60可近似看作与C60分子半径相同的球体。

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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

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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)

11-1 KC60 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)?a22?1420?502pm 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)=0.414×502=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)

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

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Al13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) (2) 根据晶体密度公式可得：V?MZ27?43 故晶胞参数α=405pm ??a23NA?6.02?10?2.7 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：

2a?4rr?22a??405pm?143pm 44 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， 立方体对角线为：[(2R)?(2R)]?21226R

1?6R?r?R 2所以r?(6?1)R?0.225R?0.225?143pm?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；NaBH8O7 Y的最简式；NaBH2O4 (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NaBH2O4·3H2O, 则Y中Na的质量百分数为23/99.8 = 0.23 （若X是NaBO3·4H2O，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）。

2-HOBHOOOOOBOHOH (5分； 不写“2－”不扣分。)

参考图形：