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1、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
2、隙。问题1.请阅读材料分析，石墨烯中为何可以参加六方氮化硼？(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
3、识与微观探析)提示：31。每个六元环上有3个B原子、3个N原子，有6个BN键，而每个BN键为一个六元环奉献率为，每个B原子为一个六元环奉献率为，六元环单独占有BN数目为6=3，单独占有B原子数为3=1，所以BN键数与硼原子数之比为31。问题5：六方氮化硼同层中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：gcm-3。以一个六棱柱为研究单位，那么一个六棱柱中含有的B和N原子均为6=1，因此一个六棱柱的体积是a2b cm3，一个六棱柱的质量为 g，根据=gcm-3。1.钻石的魅力在于它经过大自然千百万年的孕育，再经打
4、磨，能放射出闪烁的光辉。钻石就是经过打磨的金刚石，金刚石的网状结构如下图，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CC键间的夹角是()A.6个120B.5个108C.4个10928D.6个10928【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CC键夹角为10928。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，其晶胞结构如下图(黑球代表Fe，白球代表Mg)。那么以下说法不正确的选项是()A.铁镁合金的化学式为Mg2FeB.晶体中存在的化学键类型为金属键C.晶
5、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。依据均摊规那么，晶胞中共有81/8+61/2=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Mg2+半径比Ca2+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(104) g= g，故D正确。【加固训练】1.美国lawrence livermore国家实验室的VLotaCSYoo和HCynn成功地在高压下将CO2转化为具有类似SiO2结
6、构的晶体，以下关于CO2的原子晶体的说法正确的选项是()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
7、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泼的领域之一。如图是已经合成的最著名的硫-氮化合物的分子结构。以下说法正确的选项是()A.该物质的分子式为S4N4B.该物质的分子中只有极性键C.该物质具有很高的熔、沸点D.该物质与化合物S2N2互为同素异形体【解析】选A。根据分子结构可知，分子式为S4N4，选项A正确；根据结构可判断，硫和
8、硫之间形成非极性键，S和N之间形成极性键，选项B错误；该物质形成的晶体是分子晶体，分子晶体的熔沸点不高，选项C错误；由同一种元素形成的不同单质互为同素异形体，该物质是化合物，不是单质，选项D错误。3.水晶是常见的一种宝石，属于稀有矿物，主要化学成分是二氧化硅，是一种无色透明的晶体，当含少量元素Al、Fe等时呈紫色、黄色、茶色等。我们可以将SiO2的晶体结设想象为在晶体硅的SiSi键之间插入O原子。根据SiO2晶体结构图，以下说法不正确的选项是()A.石英晶体中每个Si原子通过SiO极性键与4个O原子作用B.每个O原子通过SiO极性键与2个Si原子作用C.石英晶体中Si原子与O原子的原子个数比为
9、12，可用“SiO2”来表示石英的组成D.在晶体中存在石英分子，故SiO2叫分子式【解析】选D。晶体硅的结构是五个硅原子形成正四面体结构，其中有一个位于正四面体的中心，另外四个位于四面体的顶点；SiO2的结构为每个硅原子周围有四个氧原子，而每个氧原子周围有两个硅原子，在晶体中Si原子与O原子的原子个数比为12，“SiO2仅表示石英的组成，没有单个的SiO2分子。4.钢铁是生产生活、工程技术中最重要、用量最大的金属材料。其中铁有、三种同素异形体，其晶胞结构如下图：(1)、两种晶体的晶胞中铁原子的配位数之比为_。(2)晶体晶胞中所含有的铁原子数为_。(3)假设Fe原子半径为r pm，NA表示阿伏加德罗常数的值，那么-Fe单质的密度为_gcm-3(列出算式即可)。【解析】(1)、两种晶体的晶胞中铁原子的配位数分别为8、6，那么二者中铁原子的配位数之比为86=43。(2)晶体晶胞中所含有的铁原子数为8+6=4。(3)-Fe单质的晶体为体心立方堆积，一个晶胞中含有的铁原子数为1+8=2，体对角线的长度为4r pm，晶胞边长为r pm=r pm，晶胞体积为(r)3 pm3，因此密度是 gcm-3。答案：(1)43(2)4(3)- 4 -