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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(FexNy)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)CunNy。FexNy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1FexNy晶胞结构示意图图2转化过程的能量变化答案(1)Ar3d5或1s22s22p63s23p63d5(2)sp2和sp39 mol(3)HCO(4)乙醇分子间存在氢键(5)Fe3CuN解析(1)Fe为26号元素,原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2或Ar3d64s2,Fe失去3个电子变为Fe3+,核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d5或Ar3d5。(2)丙酮分子中,甲基上的碳原子为sp3杂化,羰基上的碳原子为sp2杂化;单键全为键,双键中有一个键、一个键,1 mol丙酮分子中共含有9 mol 键。(3)非金属性:HCO,则电负性:HCM,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,可知Z为Cr。(1)Na的基态原子电子排布式为1s22s22p63s1或Ne3s1,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12(6-23)=0为sp2杂化,分子构型为平面三角形。(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818+612=4个,则N(黑球)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K2CrO4,其中K2Cr2O7为橙色,K2CrO4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,K2Cr2O7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、H2O2和H2SO4,产物为K2SO4、Cr2(SO4)3、O2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:CB(填“”或“N原子中的2p能级处于半充满状态,更稳定(3)正四面体sp3CCl4(或SiCl4、SO2Cl2等)(4)12(5)724NA(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)SO42-中S原子孤电子对数=12(6+2-24)=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原子杂化方式为sp3;原子数目相同、价电子总数相同的微粒互为等电子体,与SO42-互为等电子体的分子为CCl4、SiCl4、SO2Cl2等。(4)CaTiO3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,Ca2+周围紧邻O2-数目为12(38)=12,即Ca2+的配位数为12。(5)FeO晶胞中含有的Fe数目为818+612=4,O原子数目为1214+1=4,1 mol FeO含有14 mol晶胞,则FeO晶体的密度为=724NA(4.2810-8)3 gcm-3。4.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为。与Z3-互为等电子体的分子的分子式为(写一个即可),Z3-的立体构型是。(2)W元素可形成WF63-、WCl4-配离子,而X只能形成XF4-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+、NH4+形成的酸式盐溶解度都小于其正盐的溶解度,原因是HCO3-之间以(填作用力)作用形成长链,减小了HCO3-与水分子之间的作用,导致溶解度降低。(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,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1G的层状结构图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)CO2(或N2O)直线形(2)中心原子(或离子)及配位原子半径的大小(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;N3-的原子数为3,价电子总数为16,则与N3-互为等电子体的分子可以是CO2(或N2O),等电子体结构相似,CO2是直线形,则N3-的立体构型是直线形。(2)B3+半径明显小于Al3+,则Al元素可形成AlF6-、AlCl4-配离子,而B只能形成BF4-配离子。(3)HCO3-之间以氢键作用形成长链,减小了HCO3-与水分子之间的作用,导致NaHCO3、KHCO3、NH4HCO3的溶解度明显小于对应的正盐Na2CO3、K2CO3及(NH4)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)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。SiX4的沸点依F、Cl、Br、I次序升高的原因是。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,PbX2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sp2(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)K3C602.0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)SiCl4中心原子是Si,有4个键,孤电子对数为(4-41)2=0,价层电子对数为4,立体构型为正四面体;属于非极性分子。(3)SiX4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,C60位于顶点和面心,个数为818+612=4,K位于棱上和内部,个数为1214+9=12,因此化学式为K3C60,晶胞的质量为4837NA g,晶胞的体积为(1.410-7)3 cm3,根据密度的定义,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。(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)。BH4-的立体构型为,其中B原子的杂化轨道类型为。写出两种与BH4-互为等电子体的分子或离子。(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)Ar3d54s2(或1s22s22p63s23p63d54s2)5(2)离子MnO的晶格能大(3)O正四面体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号元素,其核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d54s2;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,O2-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BH4-中B没有孤电子对,THF中O有孤电子对,因此THF中O提供孤电子对,Mn2+提供空轨道;BH4-中心原子B有4个键,孤电子对数为(3+1-4)/2=0,杂化类型为sp3,因此BH4-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电子体,因此与BH4-互为等电子体的是CH4、SiH4、NH4+等。(4)根据B的坐标,两个最近的Sn距离为1,根据晶胞的结构,C位于体心,因此C的坐标是(12,12,12);Mn的堆积方式为面心立方最密堆积;Sn位于顶点,个数为818=1,Mn位于面心,个数为612=3,C位于体心,全部属于晶胞,因此化学式为SnMn3C,晶胞的质量为1296NA g,晶胞的体积为(a10-10)3 cm3,根据密度的定义,=296NA(a10-10)3 gcm-3。
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