1、1第 15 讲 物质结构与性质(选考)非选择题(本题包括 5 个小题,共 100 分)1.(2017 江苏化学,21)铁氮化合物(Fe xNy)在磁记录材料领域有着广泛的应用前景。某 FexNy的制备需铁、氮气、丙酮和乙醇参与。(1)Fe3+基态核外电子排布式为 。 (2)丙酮( )分子中碳原子轨道的杂化类型是 ,1 mol 丙酮分子中含有 键的数目为 。 (3)C、H、O 三种元素的电负性由小到大的顺序为 。 (4)乙醇的沸点高于丙酮,这是因为 。 (5)某 FexNy的晶胞如图 1 所示,Cu 可以完全替代该晶体中 a 位置 Fe 或者 b 位置 Fe,形成 Cu 替代型产物 Fe(x-n
2、)CunNy。Fe xNy转化为两种 Cu 替代型产物的能量变化如图 2 所示,其中更稳定的 Cu 替代型产物的化学式为 。 图 1 Fe xNy晶胞结构示意图图 2 转化过程的能量变化答案(1)Ar3d 5或 1s22s22p63s23p63d5(2)sp2和 sp3 9 mol (3)HM,且 R 为金属元素,则 R 位于第三周期,为本周期最活泼的金属,R 为钠。引起酸雨的主要污染物为 SO2或氮氧化物,则 X 为 S 或 N,原子序数 XM,则 X 为 S,Y 的原子序数比 X 大,则 Y 为 Cl。Z的基态原子 4s 和 3d 能级半充满并结合(5)中的 Z 的最高价含氧酸的钾盐为橙色
3、,可知 Z 为 Cr。(1)Na 的基态原子电子排布式为 1s22s22p63s1或Ne3s 1,元素非金属性越强,电负性越大,非金属性 ClS。(2)X 的氢化物为 H2S,M 的氢化物为 H2O,H2O 分子间可以形成氢键,沸点高于 H2S。(3)XM3为 SO3,根据 VSEPR 可知,孤电子对数为 (6-23)=0 为 sp2杂化,分子构型为平面三角12形。(4)R2M 为 Na2O,黑球位于晶胞内部,共 8 个,白球位于顶点和面心,共 8 +6 =4 个,则 N(黑18 12球) N(白球)=84=21,则黑球为 Na+。(5)Cr 的最高价含氧酸的钾盐有 K2Cr2O7和 K2Cr
4、O4,其中 K2Cr2O7为橙色,K 2CrO4为黄色。O 的氢化物有 H2O 和 H2O2两种,其中 H2O2既有氧化性又有还原性,则反应发生在 K2Cr2O7和 H2O2之间,3K2Cr2O7变为 Cr3+,H2O2被氧化为 O2,反应在稀硫酸中发生,因此反应物为 K2Cr2O7、H 2O2和 H2SO4,产物为 K2SO4、Cr 2(SO4)3、O 2和 H2O,根据电子得失守恒和原子守恒配平方程式。3.金属钛性能优越,被誉为继 Fe、Al 后应用广泛的“第三金属”。(1)Ti 基态原子的价电子排布式为 。 (2)钛能与 B、C、N、O 等非金属元素形成稳定的化合物。电负性:C B(填“
5、”或“ N 原子中的 2p 能级处于半充满状态,更稳定(3)正四面体 sp 3 CCl 4(或 SiCl4、SO 2Cl2等)(4)12(5)724(4.2810-8)3解析(1)Ti 原子核外电子数为 22,其核外电子排布式为 1s22s22p63s23p63d24s2,其价电子排布式为3d24s2。(2)同周期自左而右元素电负性增大,故电负性 CB;N 原子中的 2p 能级处于半充满状态,更稳定,第一电离能高于同周期相邻元素,第一电离能 NO。(3)S 中 S 原子孤电子对数= (6+2-2-4 1224)=0,价层电子对数=4+0=4,为正四面体结构,杂化轨道数目为 4,S 原子杂化方式
6、为 sp3;原子数4目相同、价电子总数相同的微粒互为等电子体,与 S 互为等电子体的分子为2-4CCl4、SiCl 4、SO 2Cl2等。(4)CaTiO 3的晶体结构中 Ti 位于立方体的体心,由晶胞结构图和化学式可知,顶点为 Ca2+,面心为 O2-,该晶体中每个顶点 Ca2+与面心的 O2-相邻,每个顶点为 8 个晶胞共用,每个面为 2 个晶胞共用,晶体中,Ca 2+周围紧邻 O2-数目为 (38)=12,即 Ca2+的配位数为 12。(5)FeO12晶胞中含有的 Fe 数目为 8 +6 =4,O 原子数目为 12 +1=4,1 mol FeO 含有 mol 晶胞,则18 12 14 1
7、4FeO 晶体的密度为 = gc 。724(4.2810-8)3 -34.X、Y、Z、W、R、M 为元素周期表中前四周期的元素,其原子序数依次增大。X 与 W、Z 与 R 分别是同族元素;X 原子的第一电离能小于同周期前一族元素的原子;Z 元素基态原子的核外有 3 个未成对电子;M 元素的单质化学性质稳定,耐腐蚀,其单质及合金是一种优良的航天、航空材料,M 的基态原子核外有 2 个未成对电子。请回答下列问题:(1)NaZ3可应用于汽车安全气囊,当汽车发生碰撞时,气囊中的 NaZ3迅速分解产生大量 Z 的单质气体,从而使安全气囊瞬间充气弹出,减轻了乘员受到的伤害。基态 Z 原子价电子的电子排布图
8、为 。与 互为等电子体的分子的分子式为 (写一个即可), 的立体构型是 -3 -3。 (2)W 元素可形成WF 63-、WCl 4-配离子,而 X 只能形成XF 4-配离子,由此可知决定配合物中配位数多少的因素之一是 。 (3)已知 Y 的最高价含氧酸根离子与 Na+、K +、N 形成的酸式盐溶解度都小于其正盐的溶解度,原+4因是 HC 之间以 (填作用力)作用形成长链,减小了 HC 与水分子之间的作用,导致溶-3 -3解度降低。 (4)R 元素通常有白、红、黑三种颜色的单质,其中最稳定的同素异形体 G 在通常状态下是一种黑色有金属光泽的晶体,G 在储能、电子和光伏发电等领域有着广泛的应用前景
9、,是一种比石墨烯更优秀的新型材料。晶体 G 具有与石墨类似的层状结构,如图 1 所示。下列有关 G 的说法正确的是 。 A.G 中 R 原子杂化方式为 sp3杂化B.G 中层与层之间的作用力是配位键C.与石墨类似,G 的每一层中 R 原子都在同一平面上D.R 元素三种常见的单质中,G 的熔点最高图 1 G 的层状结构5图 2(5)M 与 O 形成的离子晶体在自然界中存在三种形态,其中金红石型是三种形态中最稳定的一种,其晶胞如图 2 所示,则 M、O 配位数之比为 ;影响离子晶体结构类型的因素有 、 、键性因素。 答案(1) CO 2(或 N2O) 直线形(2)中心原子(或离子)及配位原子半径的
10、大小(3)氢键 (4)AD(5)21 几何因素 电荷因素解析根据题意,X 为 B 元素、Y 为 C 元素、Z 为 N 元素、W 为 Al 元素、R 为 P 元素、M 为 Ti 元素。(1)N 原子核外有 5 个电子,基态 N 原子价电子的电子排布图为 ; 的原子数为 3,价电-3子总数为 16,则与 互为等电子体的分子可以是 CO2(或 N2O),等电子体结构相似,CO 2是直线形,则-3的立体构型是直线形。(2)B 3+半径明显小于 Al3+,则 Al 元素可形成AlF 6-、AlCl 4-配离子,-3而 B 只能形成BF 4-配离子。(3)HC 之间以氢键作用形成长链,减小了 HC 与水分
11、子之间的作-3 -3用,导致 NaHCO3、KHCO 3、NH 4HCO3的溶解度明显小于对应的正盐 Na2CO3、K 2CO3及(NH 4)2CO3的溶解度。(4)由结构可知 G 中磷原子杂化方式为 sp3杂化,A 正确。G 中层与层之间的作用力是分子间作用力,B 错误。石墨中碳原子为 sp2杂化,每层原子均在同一平面内,但 G 中磷原子杂化方式为 sp3杂化,每一层的各原子不可能在同一平面内,C 错误。G 为原子晶体,而其他两种单质为分子晶体,则 G 的熔点最高,D 正确。(5)观察晶胞结构,可知每个钛周围距离最近的氧原子有 6 个,即钛的配位数为 6,而每个氧原子周围最靠近的钛原子为 3
12、 个,即氧原子的配位数是 3,则 Ti、O 配位数之比为63=21;晶胞的几何构型、微粒所带的电荷数及键性均是影响离子晶体结构类型的因素。5.(2017 海南高考,19)第A 族元素及其化合物在材料等方面有重要用途。回答下列问题:(1)碳的一种单质的结构如图(a)所示。该单质的晶体类型为 ,原子间存在的共价键类型有 ,碳原子的杂化轨道类型为 。 图(a)图(b)6图(c)(2)SiCl4分子的中心原子的价层电子对数为 ,分子的立体构型为 ,属于 (填“极性”或“非极性”)分子。 (3)四卤化硅 SiX4的沸点和二卤化铅 PbX2的熔点如图(b)所示。SiX 4的沸点依 F、Cl、Br、I 次序
13、升高的原因是 。 结合 SiX4的沸点和 PbX2的熔点的变化规律,可推断:依 F、Cl、Br、I 次序,PbX 2中的化学键的离子性 、共价性 。(填“增强”“不变”或“减弱”) (4)碳的另一种单质 C60可以与钾形成低温超导化合物,晶体结构如图(c)所示。K 位于立方体的棱上和立方体的内部,此化合物的化学式为 ;其晶胞参数为 1.4 nm,晶体密度为 gcm-3。 答案(1)混合型晶体 键、 键 sp 2(2)4 正四面体 非极性(3)均为分子晶体,范德华力随相对分子质量增大而增大 减弱 增强(4)K3C60 2.0解析(1)该单质为石墨,石墨属于混合型晶体,层内碳原子之间形成 键,层间
14、的碳原子间形成的是 键;石墨中每个碳原子有 3 个 键,无孤电子对,因此杂化类型为 sp2。(2)SiCl 4中心原子是 Si,有 4 个 键,孤电子对数为 =0,价层电子对数为 4,立体构型为正四面体;属于非极性(4-41)2分子。(3)SiX 4属于分子晶体,范德华力越大,沸点越高,范德华力随着相对分子质量的增大而增大,即沸点增高。同主族从上到下非金属性减弱,得电子能力减弱,因此 PbX2中化学键的离子性减弱,共价性增强。(4)根据晶胞的结构,C 60位于顶点和面心,个数为 8 +6 =4,K 位于棱上和内部,个18 12数为 12 +9=12,因此化学式为 K3C60,晶胞的质量为 g,
15、晶胞的体积为(1.410 -7)3 cm3,根14 4837据密度的定义,则晶胞的密度为 =2.0 gcm-3。6.锰的单质及其化合物的用途非常广泛。回答下列问题:(1)基态锰原子的核外电子排布式为 , 其 d 能级中未成对电子数为 。 (2)MnO 的熔点(1 650 )比 MnS 的熔点(1 610 )高,它们都属于 晶体。前者熔点较高的原因是 。 7(3)锰的一种配合物的化学式为 Mn(BH4)2(THF)3,THF 的结构简式如图所示。与 Mn2+形成配位键的原子为 (填元素符号)。 B 的立体构型为 ,其中 B 原子的杂化轨道类型为 。 -4写出两种与 B 互为等电子体的分子或离子
16、。 -4(4)一种磁性材料的单晶胞结构如图所示。该晶胞中碳原子的原子坐标为 。 Mn 在晶体中的堆积方式为 (填“简单立方”“体心立方”“面心立方最密”或“六方最密”)堆积。 若该晶胞的边长为 a pm,NA表示阿伏加德罗常数的数值,则该晶体密度的表达式为 = 。 答案(1)Ar3d 54s2(或 1s22s22p63s23p63d54s2) 5(2)离子 MnO 的晶格能大(3)O 正四面体 sp 3 CH 4、SiH 4(或 N 等其他合理答案)+4(4)( ) 面心立方最密12,12,12 gcm-3296(10-10)3解析(1)Mn 是 25 号元素,其核外电子排布式为 1s22s2
17、2p63s23p63d54s2;d 能级有 5 个轨道,根据洪特规则,电子优先单独占据一个轨道,且自旋状态相同,因此锰元素的 d 能级有 5 个未成对电子。(2)MnO 和 MnS 熔点很高,属于离子晶体,O 2-的半径小于 S2-,因此 MnO 的晶格能大于 MnS,晶格能越大,熔点越高。(3)B 的最外层有 3 个电子,因此 B 中 B 没有孤电子对,THF 中 O 有孤电子对,因此 THF-4中 O 提供孤电子对,Mn 2+提供空轨道;B 中心原子 B 有 4 个 键,孤电子对数为(3+1-4)/2=0,-4杂化类型为 sp3,因此 B 立体构型为正四面体;原子总数相等,价电子总数相等的微粒互称为等-4电子体,因此与 B 互为等电子体的是 CH4、SiH 4、N 等。(4)根据 B 的坐标,两个最近的 Sn-4 +4距离为 1,根据晶胞的结构,C 位于体心,因此 C 的坐标是( );Mn 的堆积方式为面心立方最密12,12,12堆积;Sn 位于顶点,个数为 8 =1,Mn 位于面心,个数为 6 =3,C 位于体心,全部属于晶胞,因此18 128化学式为 SnMn3C,晶胞的质量为 g,晶胞的体积为( a10-10)3 cm3,根据密度的定义, =1296gcm-3。296(10-10)3
