第15講物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)(選考)非選擇題(本題包括5個小題,共100分)1.(2017江蘇化學(xué),21)鐵氮化合物(FexNy)在磁記錄材料領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。某FexNy的制備需鐵、氮?dú)狻⒈鸵掖紖⑴c。(1)Fe3+基態(tài)核外電子排布式為。(2)丙酮()分子中碳原子軌道的雜化類型是,1 mol丙酮分子中含有鍵的數(shù)目為。(3)C、H、O三種元素的電負(fù)性由小到大的順序為。(4)乙醇的沸點(diǎn)高于丙酮,這是因為。(5)某FexNy的晶胞如圖1所示,Cu可以完全替代該晶體中a位置Fe或者b位置Fe,形成Cu替代型產(chǎn)物Fe(x-n)CunNy。FexNy轉(zhuǎn)化為兩種Cu替代型產(chǎn)物的能量變化如圖2所示,其中更穩(wěn)定的Cu替代型產(chǎn)物的化學(xué)式為。圖1FexNy晶胞結(jié)構(gòu)示意圖圖2轉(zhuǎn)化過程的能量變化答案(1)Ar3d5或1s22s22p63s23p63d5(2)sp2和sp39 mol(3)H<C<O(4)乙醇分子間存在氫鍵(5)Fe3CuN解析(1)Fe為26號元素,原子核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d64s2或Ar3d64s2,Fe失去3個電子變?yōu)镕e3+,核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d5或Ar3d5。(2)丙酮分子中,甲基上的碳原子為sp3雜化,羰基上的碳原子為sp2雜化;單鍵全為鍵,雙鍵中有一個鍵、一個鍵,1 mol丙酮分子中共含有9 mol 鍵。(3)非金屬性:H<C<O,則電負(fù)性:H<C<O。(4)乙醇分子間可以形成氫鍵,故沸點(diǎn)高于丙酮。(5)由物質(zhì)能量越低越穩(wěn)定,結(jié)合圖2可知,Cu替代a位置Fe型產(chǎn)物會更穩(wěn)定,根據(jù)均攤法可得,替換后的晶胞中所含銅原子個數(shù)為818=1,Fe原子個數(shù)為612=3,N原子個數(shù)為1,則該產(chǎn)物化學(xué)式為Fe3CuN。2.M、R、X、Y為原子序數(shù)依次增大的短周期主族元素,Z是一種過渡元素。M基態(tài)原子L層中p能級電子數(shù)是s能級電子數(shù)的2倍,R是同周期元素中最活潑的金屬元素,X和M形成的一種化合物是引起酸雨的主要大氣污染物,Z的基態(tài)原子4s和3d能級半充滿。請回答下列問題:(1)R基態(tài)原子的電子排布式是,X和Y中電負(fù)性較大的是(填元素符號)。(2)X的氫化物的沸點(diǎn)低于與其組成相似的M的氫化物,其原因是。(3)X與M形成的XM3分子的立體構(gòu)型是。(4)M和R所形成的一種離子化合物R2M晶體的晶胞如下圖所示,則圖中黑球代表的離子是(填離子符號)。(5)在稀硫酸中,Z的最高價含氧酸的鉀鹽(橙色)氧化M的一種氫化物,Z被還原為+3價,該反應(yīng)的化學(xué)方程式是。答案(1)1s22s22p63s1或Ne3s1Cl(2)H2S分子間不能形成氫鍵,H2O分子間能形成氫鍵(3)平面三角形(4)Na+(5)K2Cr2O7+3H2O2+4H2SO4K2SO4+Cr2(SO4)3+3O2+7H2O解析M基態(tài)原子L層中p能級電子數(shù)是s能級電子數(shù)的2倍,則電子排布為1s22s22p4,M為O。原子序數(shù)R>M,且R為金屬元素,則R位于第三周期,為本周期最活潑的金屬,R為鈉。引起酸雨的主要污染物為SO2或氮氧化物,則X為S或N,原子序數(shù)X>M,則X為S,Y的原子序數(shù)比X大,則Y為Cl。Z的基態(tài)原子4s和3d能級半充滿并結(jié)合(5)中的Z的最高價含氧酸的鉀鹽為橙色,可知Z為Cr。(1)Na的基態(tài)原子電子排布式為1s22s22p63s1或Ne3s1,元素非金屬性越強(qiáng),電負(fù)性越大,非金屬性Cl>S。(2)X的氫化物為H2S,M的氫化物為H2O,H2O分子間可以形成氫鍵,沸點(diǎn)高于H2S。(3)XM3為SO3,根據(jù)VSEPR可知,孤電子對數(shù)為12(6-23)=0為sp2雜化,分子構(gòu)型為平面三角形。(4)R2M為Na2O,黑球位于晶胞內(nèi)部,共8個,白球位于頂點(diǎn)和面心,共818+612=4個,則N(黑球)N(白球)=84=21,則黑球為Na+。(5)Cr的最高價含氧酸的鉀鹽有K2Cr2O7和K2CrO4,其中K2Cr2O7為橙色,K2CrO4為黃色。O的氫化物有H2O和H2O2兩種,其中H2O2既有氧化性又有還原性,則反應(yīng)發(fā)生在K2Cr2O7和H2O2之間,K2Cr2O7變?yōu)镃r3+,H2O2被氧化為O2,反應(yīng)在稀硫酸中發(fā)生,因此反應(yīng)物為K2Cr2O7、H2O2和H2SO4,產(chǎn)物為K2SO4、Cr2(SO4)3、O2和H2O,根據(jù)電子得失守恒和原子守恒配平方程式。3.金屬鈦性能優(yōu)越,被譽(yù)為繼Fe、Al后應(yīng)用廣泛的“第三金屬”。(1)Ti基態(tài)原子的價電子排布式為。(2)鈦能與B、C、N、O等非金屬元素形成穩(wěn)定的化合物。電負(fù)性:CB(填“>”或“<”,下同);第一電離能:NO,原因是。(3)月球巖石玄武巖的主要成分為鈦酸亞鐵(FeTiO3)。FeTiO3與80%的硫酸反應(yīng)可生成TiOSO4。SO42-的立體構(gòu)型為形,其中硫原子的雜化方式為,寫出與SO42-互為等電子體的一種分子的化學(xué)式:。(4)Ti的氧化物與CaO相互作用能形成鈦酸鹽CaTiO3,CaTiO3的晶體結(jié)構(gòu)如圖1,Ti位于立方體的體心。該晶體中,Ca2+的配位數(shù)為。圖1圖2(5)Fe能形成多種氧化物,其中FeO晶胞結(jié)構(gòu)如圖2。FeO晶胞邊長為428 pm,則FeO晶體的密度為 gcm-3(阿伏加德羅常數(shù)的值用NA表示,1 pm=10-12 m,寫出計算式即可)。答案(1)3d24s2(2)>>N原子中的2p能級處于半充滿狀態(tài),更穩(wěn)定(3)正四面體sp3CCl4(或SiCl4、SO2Cl2等)(4)12(5)724NA(4.2810-8)3解析(1)Ti原子核外電子數(shù)為22,其核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d24s2,其價電子排布式為3d24s2。(2)同周期自左而右元素電負(fù)性增大,故電負(fù)性C>B;N原子中的2p能級處于半充滿狀態(tài),更穩(wěn)定,第一電離能高于同周期相鄰元素,第一電離能N>O。(3)SO42-中S原子孤電子對數(shù)=12(6+2-24)=0,價層電子對數(shù)=4+0=4,為正四面體結(jié)構(gòu),雜化軌道數(shù)目為4,S原子雜化方式為sp3;原子數(shù)目相同、價電子總數(shù)相同的微?；榈入娮芋w,與SO42-互為等電子體的分子為CCl4、SiCl4、SO2Cl2等。(4)CaTiO3的晶體結(jié)構(gòu)中Ti位于立方體的體心,由晶胞結(jié)構(gòu)圖和化學(xué)式可知,頂點(diǎn)為Ca2+,面心為O2-,該晶體中每個頂點(diǎn)Ca2+與面心的O2-相鄰,每個頂點(diǎn)為8個晶胞共用,每個面為2個晶胞共用,晶體中,Ca2+周圍緊鄰O2-數(shù)目為12(38)=12,即Ca2+的配位數(shù)為12。(5)FeO晶胞中含有的Fe數(shù)目為818+612=4,O原子數(shù)目為1214+1=4,1 mol FeO含有14 mol晶胞,則FeO晶體的密度為=724NA(4.2810-8)3 gcm-3。4.X、Y、Z、W、R、M為元素周期表中前四周期的元素,其原子序數(shù)依次增大。X與W、Z與R分別是同族元素;X原子的第一電離能小于同周期前一族元素的原子;Z元素基態(tài)原子的核外有3個未成對電子;M元素的單質(zhì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,耐腐蝕,其單質(zhì)及合金是一種優(yōu)良的航天、航空材料,M的基態(tài)原子核外有2個未成對電子。請回答下列問題:(1)NaZ3可應(yīng)用于汽車安全氣囊,當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時,氣囊中的NaZ3迅速分解產(chǎn)生大量Z的單質(zhì)氣體,從而使安全氣囊瞬間充氣彈出,減輕了乘員受到的傷害?；鶓B(tài)Z原子價電子的電子排布圖為。與Z3-互為等電子體的分子的分子式為(寫一個即可),Z3-的立體構(gòu)型是。(2)W元素可形成WF63-、WCl4-配離子,而X只能形成XF4-配離子,由此可知決定配合物中配位數(shù)多少的因素之一是。(3)已知Y的最高價含氧酸根離子與Na+、K+、NH4+形成的酸式鹽溶解度都小于其正鹽的溶解度,原因是HCO3-之間以(填作用力)作用形成長鏈,減小了HCO3-與水分子之間的作用,導(dǎo)致溶解度降低。(4)R元素通常有白、紅、黑三種顏色的單質(zhì),其中最穩(wěn)定的同素異形體G在通常狀態(tài)下是一種黑色有金屬光澤的晶體,G在儲能、電子和光伏發(fā)電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,是一種比石墨烯更優(yōu)秀的新型材料。晶體G具有與石墨類似的層狀結(jié)構(gòu),如圖1所示。下列有關(guān)G的說法正確的是。A.G中R原子雜化方式為sp3雜化B.G中層與層之間的作用力是配位鍵C.與石墨類似,G的每一層中R原子都在同一平面上D.R元素三種常見的單質(zhì)中,G的熔點(diǎn)最高圖1G的層狀結(jié)構(gòu)圖2(5)M與O形成的離子晶體在自然界中存在三種形態(tài),其中金紅石型是三種形態(tài)中最穩(wěn)定的一種,其晶胞如圖2所示,則M、O配位數(shù)之比為;影響離子晶體結(jié)構(gòu)類型的因素有、鍵性因素。答案(1)CO2(或N2O)直線形(2)中心原子(或離子)及配位原子半徑的大小(3)氫鍵(4)AD(5)21幾何因素電荷因素解析根據(jù)題意,X為B元素、Y為C元素、Z為N元素、W為Al元素、R為P元素、M為Ti元素。(1)N原子核外有5個電子,基態(tài)N原子價電子的電子排布圖為;N3-的原子數(shù)為3,價電子總數(shù)為16,則與N3-互為等電子體的分子可以是CO2(或N2O),等電子體結(jié)構(gòu)相似,CO2是直線形,則N3-的立體構(gòu)型是直線形。(2)B3+半徑明顯小于Al3+,則Al元素可形成AlF6-、AlCl4-配離子,而B只能形成BF4-配離子。(3)HCO3-之間以氫鍵作用形成長鏈,減小了HCO3-與水分子之間的作用,導(dǎo)致NaHCO3、KHCO3、NH4HCO3的溶解度明顯小于對應(yīng)的正鹽Na2CO3、K2CO3及(NH4)2CO3的溶解度。(4)由結(jié)構(gòu)可知G中磷原子雜化方式為sp3雜化,A正確。G中層與層之間的作用力是分子間作用力,B錯誤。石墨中碳原子為sp2雜化,每層原子均在同一平面內(nèi),但G中磷原子雜化方式為sp3雜化,每一層的各原子不可能在同一平面內(nèi),C錯誤。G為原子晶體,而其他兩種單質(zhì)為分子晶體,則G的熔點(diǎn)最高,D正確。(5)觀察晶胞結(jié)構(gòu),可知每個鈦周圍距離最近的氧原子有6個,即鈦的配位數(shù)為6,而每個氧原子周圍最靠近的鈦原子為3個,即氧原子的配位數(shù)是3,則Ti、O配位數(shù)之比為63=21;晶胞的幾何構(gòu)型、微粒所帶的電荷數(shù)及鍵性均是影響離子晶體結(jié)構(gòu)類型的因素。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。回答下列問題:(1)碳的一種單質(zhì)的結(jié)構(gòu)如圖(a)所示。該單質(zhì)的晶體類型為,原子間存在的共價鍵類型有,碳原子的雜化軌道類型為。圖(a)圖(b)圖(c)(2)SiCl4分子的中心原子的價層電子對數(shù)為,分子的立體構(gòu)型為,屬于(填“極性”或“非極性”)分子。(3)四鹵化硅SiX4的沸點(diǎn)和二鹵化鉛PbX2的熔點(diǎn)如圖(b)所示。SiX4的沸點(diǎn)依F、Cl、Br、I次序升高的原因是。結(jié)合SiX4的沸點(diǎn)和PbX2的熔點(diǎn)的變化規(guī)律,可推斷:依F、Cl、Br、I次序,PbX2中的化學(xué)鍵的離子性、共價性。(填“增強(qiáng)”“不變”或“減弱”)(4)碳的另一種單質(zhì)C60可以與鉀形成低溫超導(dǎo)化合物,晶體結(jié)構(gòu)如圖(c)所示。K位于立方體的棱上和立方體的內(nèi)部,此化合物的化學(xué)式為;其晶胞參數(shù)為1.4 nm,晶體密度為 gcm-3。答案(1)混合型晶體鍵、鍵sp2(2)4正四面體非極性(3)均為分子晶體,范德華力隨相對分子質(zhì)量增大而增大減弱增強(qiáng)(4)K3C602.0解析(1)該單質(zhì)為石墨,石墨屬于混合型晶體,層內(nèi)碳原子之間形成鍵,層間的碳原子間形成的是鍵;石墨中每個碳原子有3個鍵,無孤電子對,因此雜化類型為sp2。(2)SiCl4中心原子是Si,有4個鍵,孤電子對數(shù)為(4-41)2=0,價層電子對數(shù)為4,立體構(gòu)型為正四面體;屬于非極性分子。(3)SiX4屬于分子晶體,范德華力越大,沸點(diǎn)越高,范德華力隨著相對分子質(zhì)量的增大而增大,即沸點(diǎn)增高。同主族從上到下非金屬性減弱,得電子能力減弱,因此PbX2中化學(xué)鍵的離子性減弱,共價性增強(qiáng)。(4)根據(jù)晶胞的結(jié)構(gòu),C60位于頂點(diǎn)和面心,個數(shù)為818+612=4,K位于棱上和內(nèi)部,個數(shù)為1214+9=12,因此化學(xué)式為K3C60,晶胞的質(zhì)量為4837NA g,晶胞的體積為(1.410-7)3 cm3,根據(jù)密度的定義,則晶胞的密度為=2.0 gcm-3。6.錳的單質(zhì)及其化合物的用途非常廣泛。回答下列問題:(1)基態(tài)錳原子的核外電子排布式為,其d能級中未成對電子數(shù)為。(2)MnO的熔點(diǎn)(1 650 )比MnS的熔點(diǎn)(1 610 )高,它們都屬于晶體。前者熔點(diǎn)較高的原因是。(3)錳的一種配合物的化學(xué)式為Mn(BH4)2(THF)3,THF的結(jié)構(gòu)簡式如圖所示。與Mn2+形成配位鍵的原子為(填元素符號)。BH4-的立體構(gòu)型為,其中B原子的雜化軌道類型為。寫出兩種與BH4-互為等電子體的分子或離子。(4)一種磁性材料的單晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。該晶胞中碳原子的原子坐標(biāo)為。Mn在晶體中的堆積方式為(填“簡單立方”“體心立方”“面心立方最密”或“六方最密”)堆積。若該晶胞的邊長為a pm,NA表示阿伏加德羅常數(shù)的數(shù)值,則該晶體密度的表達(dá)式為=。答案(1)Ar3d54s2(或1s22s22p63s23p63d54s2)5(2)離子MnO的晶格能大(3)O正四面體sp3CH4、SiH4(或NH4+等其他合理答案)(4)(12,12,12)面心立方最密296NA(a10-10)3 gcm-3解析(1)Mn是25號元素,其核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d54s2;d能級有5個軌道,根據(jù)洪特規(guī)則,電子優(yōu)先單獨(dú)占據(jù)一個軌道,且自旋狀態(tài)相同,因此錳元素的d能級有5個未成對電子。(2)MnO和MnS熔點(diǎn)很高,屬于離子晶體,O2-的半徑小于S2-,因此MnO的晶格能大于MnS,晶格能越大,熔點(diǎn)越高。(3)B的最外層有3個電子,因此BH4-中B沒有孤電子對,THF中O有孤電子對,因此THF中O提供孤電子對,Mn2+提供空軌道;BH4-中心原子B有4個鍵,孤電子對數(shù)為(3+1-4)/2=0,雜化類型為sp3,因此BH4-立體構(gòu)型為正四面體;原子總數(shù)相等,價電子總數(shù)相等的微?；シQ為等電子體,因此與BH4-互為等電子體的是CH4、SiH4、NH4+等。(4)根據(jù)B的坐標(biāo),兩個最近的Sn距離為1,根據(jù)晶胞的結(jié)構(gòu),C位于體心,因此C的坐標(biāo)是(12,12,12);Mn的堆積方式為面心立方最密堆積;Sn位于頂點(diǎn),個數(shù)為818=1,Mn位于面心,個數(shù)為612=3,C位于體心,全部屬于晶胞,因此化學(xué)式為SnMn3C,晶胞的質(zhì)量為1296NA g,晶胞的體積為(a10-10)3 cm3,根據(jù)密度的定義,=296NA(a10-10)3 gcm-3。