空穴是什么？空穴又称为空位，原指从晶体正常晶格位置移走一个原子所形成的缺位空间。随着人类对物质的认知不断深入，空穴的尺度范围由原子层次向电子、离子、分子、材料等拓宽或缩小如电化学中移走电子所形成的光生空穴，分子筛中的笼、纳米材料中的孔、超分子中的环等。这些知识结合前沿科技、化工生产或学术探究等真实情境，形成专家们命制的试题。有些知识甚至超出了高中学生认知的知识范围；另外，有些高中教师对相关知识也理解不深，若涉及到相关习题，不能有效开展教学。

一、电子材料中的空穴

例1：

本题是电化学和结构化学结合的考题，题中“晶体结构的缺陷”和“镁离子取代及卤素共掺杂”指的是空穴和形成空穴的方法之一。固态锂离子电池是电动汽车中比较理想的化学电源，固态电解质离子迁移速率比较慢，电导率低。富锂超离子导体中锂离子通过空位迁移更快，提高了电导率。

本题中提出了两种掺杂方法，均利用了电荷守恒。一是Mg²⁺取代两个Li⁺，占据其中一个Li⁺的位置，另一个位置就形成空位；二是一个Clˉ或者Brˉ取代一个O²ˉ，占据其位置，负电荷减少，必有一个Li⁺离去，产生一个空位。这两种掺杂共同形成大量阳离子空位，使Li⁺传输路径增加，降低了Li⁺迁移的活化能，提高Li⁺传导速率。

当然本题还涉及晶胞化学式、晶胞密度计算及配位数判断。

解析如下：

由图1晶胞原子均摊原理，图1晶体的化学式为Li₃OCl，摩尔质量为72.5g/mol，1个晶胞的质量为72.5/Nᴀ，晶胞体积为a³×10³⁰cm³，晶胞密度为72.5/（Nᴀ×a³×10³⁰）g/cm³，A项正确。根据题图1所示，离氧原子最近的Li⁺有6个，故配位数为6，B项正确。由于题中白球给的信息是Mg²⁺或空位，由于电荷守恒，Mg²⁺少于2个，C项错误。空位降低了Li⁺迁移的活化能，有利于Li⁺传导，D项正确。

二、光生空穴

例2

例3

例2中信息“光照时，光催化电极产生电子（eˉ）和空穴（h⁺），驱动阴极反应（Li⁺＋eˉ＝Li）和阳极反应（Li₂O₂＋2h⁺＝2Li⁺＋O₂）对电池进行充电。”与例3信息中图示相结合，让我突破地发现电池与电极的新关系，打破了传统电池的正极（阳极）只传递电子的局限，光催化剂既可以在正极光照充电，又能让阴极制氢产银。例2和例3分3个层次考查问题：一是能量转化，将光能转化为化学能；二是光电反应本质是物质之间的电子转移；三是人类研究电池关注的热点，充电效率。我在阅读例3中图示，发现当光催化剂大量吸收光后，当入射光能量积聚到一定程度时，光能激发电子跃迁到激发态，产生自由移动的电子与光生空穴，使氧化还原反应更容易。

例2中Li—O₂二次电池比能量较高，但放电产物Li₂O₂难溶，导致充电电压过高。而光催化电池利用光催化剂吸收光，产生光电子空穴氧化Li₂O₂，以降低充电电压。例3中光解水也分为光吸收、电子与空穴产生、氧化还原反应。这两题原理相似，落点不同，题型不同。例2着重于充电效率与光照电极时产生电子与空穴量；例3着重由光解水迁移至光解Na₂SO₃溶液、AgNO₃溶液，考查氧化产物和还原产物的次序，体现题目设计对学生科学思维有序迁移与提升有帮助。

解析如下：

例2 结合阴极反应、阳极反应及图中所示，充电时的总反应为Li₂O₂＝2Li＋O₂，A项正确；结合题中信息，充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，阴极反应与电子有关，阳极反应与空穴有关，故充电效率与光照产生的电子空穴量有关，B项正确；放电吋，Li电极为负极，光催化电极为正极，Li⁺从负极穿过离子交换膜向正极迁移，C项错误；放电时正极反应为阳极电极反应相反，故O₂＋2Li⁺＋2eˉ＝Li₂O₂，D项正确。

例3（1）根椐图示，该催化剂在水中发生光催化反应的方程式为2H₂O＝2H₂↑＋O₂↑，其能量转化形式为光能转化为化学能。

（2）若该催化剂置于Na₂SO₃溶液中，产物之一为SO₄²ˉ，则是SO₃²ˉ被氧化SO₄²ˉ，另一产物是水中H⁺放电，产物为H₂；若该催化剂置于AgNO₃溶液中，产物之一为O₂，则是H₂O中O元素被氧化为O₂，另一边是Ag⁺放电优于水中H，还原产物则是Ag单质，离子反应为Ag⁺＋eˉ＝Ag。

三、分子筛空穴

例4

例4从题干到选项，介绍了分子筛的结构、合成、改性、用途等基础知识。分子筛的合成是以水玻璃、四羟基合铝酸钠与碱按比例混合水浴加热合成。其结构是硅氧四面体与铝氧四面体通过共用氧原子连接。局部可以认为石英中部分Si被Al代替。例4中分子筛，顶点是Si或Al原子，棱上通过氧原子连接，先结成笼，再由笼搭出空穴与通道，形成骨架。金属离子与水分子则分布在骨架附近。因为共用氧原子，所以四面体组成上是SiO₂、AlO₂ˉ，AlO₂ˉ是阴离子，需要金属阳离子平衡电荷。若用Na⁺，则a＝x，分子筛有特定孔径，约为4，称为4A分子筛。若用Ca²⁺交换分子筛中Na⁺，则a＝x/2，阳离子数目减少，孔径拓宽至5，改为5A分子筛。催代剂改性极大地开拓了分子筛的择形吸附催化效应。硅铝比决定分子筛骨架。

例4解析如下：

四、氧化物的空穴

例5

脱出是形成空位的另一主要方法之一。例5中MnOₓ也常用H₂脱氧。例5中定性探究氧空位的形成对周围金属化合价的影响，涉及学生熟悉的钙。

例5解析如下：

五、冠醚的空穴

例6

例6中的超分子是由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体。定义中的分子包括离子，分子间相互作用包括范德华力、氢键、静电作用、配位键、π—π堆积等。人教版教材中举了冠醚识别碱金属离子的例子。冠醚是皇冠状的分子，可有不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子。

如18—冠—6分子空穴直径为260—320pm，适合K⁺（276pm）与Rb⁺（304pm）。

例6的解析