晶体结构类计算题的解法

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1、晶体结构类计算题的解法    　410600湖南长沙宁乡一中张矫睦　   晶体结构类习题最常见的题型就是已知晶胞的结构而求晶体的化学式。   解答这类习题首先要明确一个概念：由晶胞构成的晶体，其化学式不是表示一个分子中含有多少个原子，而是表示每个晶胞中平均含有各类原子的个数，即各类原子的最简个数比。   解答这类习题，通常采用分摊法。   在一个晶胞结构中出现的多个原子，这些原子并不是只为这个晶胞所独立占有，而是为多个晶胞所共有，那么，在一个晶胞结构中出现的每个原子，这个晶胞能分摊到多少比例呢。这就是分摊法。分摊法的根本目的就是算出一

2、个晶胞单独占有的各类原子的个数。   分摊法的根本原则是：晶胞任意位置上的一个原子如果是被x个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个原子分得的份额就是1/x。   下面对立方晶胞进行详细分析。下图1就表示一个立方晶胞。在图中，原子可以位于它的顶点，也可以位于它的棱上，还可以在它的面上(不含棱)，当然，它的体内也可以有原子；图2是这种晶胞进行堆积的情况，图3是图2的单图。从这些图可以看出：(1)每个顶点被8个晶胞共有，所以晶胞对自己顶点上的每个原子只占1/8份额；(2)每条棱被4个晶胞共有，所以晶胞对自己棱上的每个原子只占1/4份额；(3)每

3、个面被2个晶胞共有，所以晶胞对自己面上(不含棱)的每个原子只占1/2份额；(4)晶胞体内的原子不与其它晶胞分享；   透过以某个顶点为中心的三维坐标系后可以清楚的看到：(5)每个顶点是被8个晶胞的6条棱共享，6条棱包括X轴上的二条、Y轴上的二条和Z轴上的二条；(6)每个顶点也被这6条棱构成的12个晶胞面共享，这12个面包括XY平面内的4个面、YZ平面内的4个面和ZX平面内的4个面；　   分摊法的本意不只是把原子分摊到晶胞，还可以把原子分摊到棱或面，例如：   根据上面第(5)条，结论：棱对自己每个顶点占的份额是1/6；   根据上面

4、第(6)条，结论：面对自己每个顶点占的份额是1/12；   同样，分摊法也不只是对原子进行分摊，还可以把棱分摊到面或把面分摊到棱，等等。   例1科学家发现的钇钡铜氧化合物在90K具有超导性，若该化合物晶体的晶胞结构如图所示，则该化合物的化学式可能是(     )   AYBa2Cu3O4 B YBa2Cu2O5CYBa2Cu3O5 DYBaCu4O4   解析：图中三个立方体合在一起才是一个晶胞。从图看出：每个晶胞体内含有1个钇原子和2个钡原子。下面计算每个晶胞单独占有的铜原子个数和氧原子个数。   图中共有铜原子16个，其中位于顶

5、点(最上层平面和最下层平面)的共8个，这个晶胞中只分摊到8×1/8=1个；位于棱线(中间两个平面)的也是8个，这个晶胞分摊到的份额是8×1/4=2个；所以，每个晶胞单独占有的铜原子数为3个。   图中共含氧原子13个，位于晶胞面上(不含棱)的是7个，位于晶胞棱上的是6个，所以，每个晶胞单独含有的氧原子数共为7×1/2+6×1/4=5个。   至此可结论，该晶体每个晶胞中平均分摊到(即单独占有)的钇原子、钡原子、铜原子和氧原子个数分别为1、2、3、5，所以，化学式为YBa2Cu3O5 ，答案选C。　   例2下图是超导化合物----钙钛

6、矿晶体中最小重复单元(晶胞)的结构。请回答：(1)该化合物的化学式为         。(2)在该化合物晶体中，与某个钛离子距离最近且相等的其他钛离子共有      个。(3)设该化合物的式量为M，密度为ag/cm3，阿伏加德罗常数为NA，则晶体中钙离子与钛离子之间的最短距离为        。   解析：(1)这个晶胞对位于顶点上的每个钛原子占有的份额为1/8，所以，它单独占有的钛原子个数为8×1/8=1个；它对位于棱上的每个氧原子占有的份额为1/4，所以，它单独占有的氧原子个数为12×1/4=3个；它全部拥有体内的那一个钙原子，所

7、以，该晶胞中单独占有的钛原子、氧原子和钙原子的个数分别为：1、3、1；所以，该化合物的化学式为CaTiO3。(2)钛位于立方体的顶点上，与一个钛离子距离最近的钛离子是与它共棱的。从上面立方晶胞进行堆积的图2和图3可以看出，在X轴或Y轴或Z轴上，与它共棱的离子都是二个，所以，共6个。(3)这是个综合性较大的习题。设这种立方晶胞的边长是b，那么，钙离子与钛离子之间的距离是体对角线的一半，即。下面求b。因为每个立方体的体积为b3，而NA个这样的立方体堆积到一起就是1mol晶体，其质量为Mg，其体积为Mg/ag/cm3=M/acm3。所以，N

8、A·b3=M/acm3，所以，，所以，题中所求距离为。   例3(改自97高考)1996年诺贝尔化学奖授予对发现C60有重大贡献的三位科学家。C60分子是形如球状的多面体，如右图，该结构的建立基于以下考虑：C60分子中每