结构与物性习题--期末考试内容

1．论述题（20分）试述环境和化学的关系？简述当今全球的重大环境问题？2．简答题(每小题20分)：1.写出碳原子的电子组态，估计其电负性?金刚石和石墨中的C-C键是什么键？用原子轨道杂化理论解释之？解释石墨为何具有金属光泽和导电性？2.晶胞的两个要素？简述晶体对称元素和对称操作的种类？X射线具有何特点及与物质相互作用？用简图画出（100）、（111）和（110）晶面，并且再画出和Z轴平行的各晶面在XY平面的投影？3．物质磁性的种类？试定性的描绘永磁材料和软磁材料的磁滞回线图，指出它们的主要差别？指出Br、Hc和(BH)m名称和物理意义？3．计算题（20分）：参照P300的例子来求算已知KCl晶体的生成热-437kJ/mol，金属钾的升华热89kJ/mol，K原子电离能为418kJ/mol，Cl2的解离能为244kJ/mol，Cl原子的电子亲和能为-349kJ/mol，试做KCl晶体的Born-Haber循环图，求出KCl的点阵能？4．计算题（20分）：已知CaCl2晶体的生成热-796kJ/mol，金属钙的升华热178kJ/mol，Ca原子第一、二电离能分别为590kJ/mol和1150kJ/mol，Cl2的解离能为244kJ/mol，Cl原子的电子亲和能为-349kJ/mol，，试做CaCl2晶体的Born-Haber循环图，求出CaCl2的点阵能？1.试简述第六周期元素从Cs到Hg硬度变化规律及产生的原因.答：第六周期元素从Cs到W逐步增大，但从W到Hg却逐步减小。由于有相对论效应的影响，6S轨道收缩，能级降低与5d轨道一起组成6个价轨道。金属中这六个价轨道和周围配位的相同的金属原子的价层轨道产生相互叠加作用，且这六个价轨道和配位环境的对称性都很高。各个轨道都能参加成键作用，平均而言，每个原子3个成键轨道和3个反键轨道，电子按能量由低到高排列，当价电子数少于六个时电子填入成键轨道，随着电子数的增加，能量降低增多，结合力加强硬度上升。到达W时成键轨道排满，结合力最强，硬度最高，多于6个电子时，电子填入反键轨道上，结合力随着电子数的增多而逐步减弱，硬度逐渐下降。2.什么是电子能谱？举例说明3种电子能谱并简明说明其特点。答:电子能谱：能量确定的电子或者光子照射样品使之电离，发射出电子，分析电离产生的电子数量和动能关系。；利用结合能为横坐标，被激发电离产生的电子数为纵坐标，所得电子数~Eb~（orEk）关系图称为电子能谱。（1）.紫外光电子能谱：激发源是紫外光；特点是使价层电子电离；（2）X射线光电子能谱：激发源是单色X射线：特点是内层电子电离；（3）俄歇电子能谱：激发源是高能电子或者X射线（内层电子被电离后，会发生两个过程，光辐射过程--辐射出特征X射线，俄歇过程--特征X射线激发一个二次电子，即俄歇电子。）3.什么是不对称合成？什么是外消旋体的拆分？什么是外消旋混合物？答：不对称合成：在合成反应中，设法使反应物的对称基因反应，产生不等量的旋光异构体产生的合成。外消旋体的两个对应体的物理性质相同，不能用一般的蒸馏等物理方法使它们分开，将外消旋体的两个对映体分开的方法称为外消旋体的拆分，若外消旋体是一种酸，通常注入一种具有特定手性的碱，使酸碱进行作用生成盐结晶体，两种对映体的酸和一种手性碱往往空间堆积条件的不同，盐的性质就会不同，利用这种性质的差异即可拆分。将一对对映体化合物等量混合，称为外消旋混合物。4.燃料电池由哪三部分组成？燃料电池与干电池的主要差别是什么？简单说明酸碱性电解质氢氧燃料电池的差别（要用反应方程说明）。答：燃料电池由电极，电解质和催化剂三部分组成。燃料电池与干电池的主要差别在于化学反应物质不是储存在电池的内部，而是用外加的设备，源源不断地提供燃料和氧化剂等反应物。对酸性电解质：负极：H2→2H++2e-；正极：2H++1/2O2+2e-→H2O。对碱性电解质：负极：H2+2OH-→2H2O+2e-；正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-对上述两种电解质，总的电池反应都是：H2+1/2O2→H2O。酸性电解质的氢氧燃料电池，氧化生成物在氧气侧产生；碱性电解质电池，水在氢气侧产生。5.简单说明一下什么是阴极（正极）保护法。答在钢铁上焊上一块更易氧化的金属，如锌或镁合金，当水或者潮湿空气接触金属时，锌和铁因为电极电势不同，锌发生氧化作用，是阳极；铁起还原作用，是阴极，锌被氧化溶解，铁不会被腐蚀，直到铁全部被溶完为止。负极：Zn→Zn2++2e-；正极：1/2O2+2H++2e-→H2O。6.汞熔点低而相邻的金的熔点很高。“真金不怕火炼”，是什么原因。答：电子结构：由于6s轨道收缩，能级显著下降，与5d轨道一起形成最外层的价轨道。这时金具有可类似于卤素的电子组态，有些性质和卤素相似。汞具有类似于稀有气体的电子组态，单个原子就是一个分子，其第一电离能和稀有气体相似；不能形成稳定强的共价单键，只能以单原子分子存在于气相之中，其原子间的结合力所以其熔点较低。7.简述分子中存在离域π键对分子结构和物理化学性质的影响。答：参加形成离域π键的原子趋于平面，键长均匀化，即按经典的方法写出单双键交替排列的结构式时，单键要比典型值缩短，双键比典型值长，在苯分子中6个C-键长相等，分不出单键双键的差别；具有特定的化学性质。如丁二烯倾向于1,4加成；苯分子取代反应比加成反应容易进行，具有特征的吸收光谱和电性等。这些性质和共轭π键中的电荷分布，分子轨道能级的间隔等均有密切关系，可统称为共轭效应。影响：离域π键的形成增加物质的电导性能，如石墨；离域π键的形成增加π电子的离域范围，体系能量降低，能级间隔变小，电子光谱吸收峰由σ键的紫外光区移至离域π键的可见光区；离域π键的形成影响化合物的酸碱性，羧酸和苯酚电离出H+后，RCOO-（）和均扩大离域范围，稳定存在。而苯胺()和酰胺（）已有离域π键掺在，不易电离苯胺的孤对电子可接受H+形成-NH3+基团，故显弱碱性；离域π键的存在影响物质的化学反应性，芳香化合物的芳香性，游离基的稳定性，氯乙烯中Cl活泼性的降低等均和共轭效应有关。8.简述14C测定年代的原理。答：14C在大气中和O2结合成CO2.由于宇宙射线的强度稳定不变，大气中的14CO2的浓度也不会改变。在地球上活着的生物体内，由于新城代谢作用，吸收和放出的C的过程不断进行，生物体的14含量保持不变，但当生物死后，失去新城代谢作用，14C就不再通过C的循环进行置换进入生物体，留在生物体内的14C只能按其半衰期减少。因此，利用埋藏在地下或保存放置的生物体测其14C的残留量即可判断该生物体死去的年龄。9.为什么PH3可以与过渡金属形成许多配合物，而NF3几乎不具有这种性质？答：（1）电负性PN,原子半径PN，两因素均使PH3的P的孤对电子比NF3中N的孤对电子更易配出；（2）O是第三周其元素，其空的3d轨道可接受过渡金属M反馈的电子，形成d-d反馈π键，且σ成键与反馈π成键协同。10.相似相容原理：结构相似的化合物容易互相混合，结构相差很大的化合物不易互溶。其中结构二字主要有两层含义：一是指物质结合在一起所依靠的化学键类型，对于有分子结合成的物质，主要指分子间结合力类型；二是指分子或离子，原子相对大小以及离子的电价。11.共价键形成的本质：从能量角度看，聚集在核间运动的电子，同时受到两个核正电荷的吸引，使体系能量降低，从而形成稳定的分子。12.由两个原子轨道有效组合成分子轨道时，必须满足能级高低相近，轨道最大重叠，对称性匹配三个条件，而分子中电子根据Pauli原理，能量最低原理和Hund规则增填在分子轨道上。13.简述石墨分子轨道的形成并解释其导电原因。答：石墨是平面层形分子，每个碳原子都是按照平面正三角形等距离的和3个碳原子相连，每个碳原子以sp2杂化轨道和周围3个C原子形成3个σ键后，在垂直于层的方向上尚剩余一个p轨道和一个价电子，它们互相叠加形成贯穿于整个层的离域π键，石墨是导体内部结构根源就在于这种离域π键，由层型分子堆叠形成石墨晶体14.静电力和诱导力只存在于极性分子中，色散力在极性分子中和非极性分子中都存在。甲醇和硼酸分子之间存在色散力,诱导力和氢键三种作用力。15.两个p轨道形成σ反键轨道时，轨道会有3个节面，而形成π成键轨道会有1个节面；根据VSEPR理论，对于IBrCl3~-，中心价电子的对数为6，几何构型为八面体，孤对电子为2，∠ClICl∠ClIBr。16.疏水效应的本质并非由于非极性分子间有较高的吸引力，而是因为水分子之间的氢键力很强，把非极性分子或者非极性基团挤压在一起的结果。17.金刚石中每个碳原子以sp3方式杂化；在石墨中具有三种不同的作用力，除了共价键，其中范德华力（层与层之间的距离大，结合力（范德华力）小，各层可以滑动）可以解释石墨的滑腻感；离域π键（离域π键的电子能自由流动）可以解释导电传热性质。18.在太阳光的紫外线照射下，碳氢化合物，氮氧化合物，氧等相互在转化，发生光化学烟雾反应，产生烟和雾。由于同位素的核质量的差异队化学性质影响很小，所以不能用应用化学性质的差别进行富集和分离，利用CO2激光器发出高功率激光照射三氯甲烷使之吸收多个光子，CDF3分子受激发，按CDF3→CF2+DF，2CF2→C2F4反应机理分解，而CHF3分解很慢。分子间生成氢键，熔沸点会升高，分子内生成氢键，熔沸点会降低。C60分子形象足球，碳原子处在由12个正五边形和200个正六边形组成的球状的60个顶点上。现在煤的合理综合应用，已有实用价值的方法包括煤的焦化气化和液化，电池可分为原电池，蓄电池和燃料电池。19.我国某单位利用水吸收红外光的特性设计出高效低温干燥器，简述其原理。答：纯水的主要吸收为300~-1到3600~-1范围，利用这一特性使干燥器辐射出的红外光源能量分布曲线集中在2800-3800cm，用词光源照射在含水的物体上，大部分能被水吸收，提高水热能，使水分子运动加快而蒸发掉，而对物体其他部分吸收热能很少，整体温度降低，实现低温高效干燥的目的。20.常见的三种原子光谱是原子发射光谱，原子吸收光谱和原子X射线谱；电子能谱三种紫外线电子能谱，X射线光电子能谱和俄歇电子能谱。。。利用光谱方法可检测高纯度实际或材料中所含的极微量杂质。21.电负性定义：基态时自由原子价层电子的平均电子能量，与原子的电离能和原子的电子亲和能。22.现代常用来测定原子分子和分子碎片的精确质量的物理方法是什么？简述原理。答：质谱法；控制电场和磁场测质荷比。23.怎样从原子轨道的正交性来理解相对论效应的实质？答：因为不同轨道对称性的差异，1s轨道的收缩；其他s轨道要作相应的收缩，而p，d，f等轨道不因正交性要求收缩。相反，s轨道收缩，增加了队核的屏蔽效应，使d和f轨道的电子有效核电荷减小，和无相对论效应情况对比，d和f轨道径向分布出现膨胀，能量升高。这种轨道膨胀又使队s电子的屏蔽减小，加强有效核电荷，间接促进s轨道收缩。24.什么是分子轨道和分子轨道理论？答：①分子中每个电子是在由各个原子核其余电子组成的平均势场中运动，第i个电子的运动状态用波函数ψi描述，ψi称为分子中单电子波函数，又称分子轨道。②分子轨道理论包括分子轨道的概念和分子轨道的形成，分子轨道ψ可以近似地用能级相近的原子轨道线性组合得到。25.卤族元素熔沸点随原子序数增加而递增的原因。答：卤素为非极性分子，色散力是主要作用力，随着分子量增大极化率增大，色散力加大，熔沸点升高。26.SiCl4沸点较高，SiH3Cl较低，为何？答：SiCl4是非极性分子，色散力是分子间主要的作用力，SiH3Cl是极性分子，由于静电力远小于色散力，可知SiCl4沸点高于SiH3Cl沸点。27.二甲醚（CH3-O-CH3）和乙醇（CH3CH2OH)为同分异构体，但沸点为何差别这样大？答：他们虽为同分异构体，但乙醇分子间存在氢键，结合力较色散力等分子间作用力强，所以乙醇比二甲醚沸点高。28.Pauli原理量子力学中的表达：描述多电子体系轨道运动和自旋运动的全波函数，对任意两粒子的全部坐标（空间坐标