第15讲 物质结构与性质
专题跟踪训练(十五)
能力练(20分钟 50分)
非选择题(共50分)
1．(12分) A、B、C、D、E代表5种元素。请填空：
(1)A元素基态原子的最外层有3个未成对电子，次外层有2个电子，其基态原子的电子排布图为________。
(2)B元素的负一价离子和C元素的正一价离子的电子层结构都与氩相同，B－的结构示意图为________，C元素在元素周期表的________区。
(3)D元素的正三价离子的3d能级为半充满状态，其基态原子的电子排布式为________。试根据原子核外电子排布所遵循的原理解释D的二价阳离子具有较强的还原性，易被氧化为正三价离子的原因：_________________________________________________。
(4)E元素基态原子的M层全充满，N层没有成对电子，只有一个未成对电子，其基态原子的价电子排布式为________。
[解析] (1)A元素为N，核外7个电子分别在1s、2s、2p轨道上。(2)B－与C＋的电子层结构都与氩相同，即核外都有18个电子，则B为Cl，C为K。(3)D元素原子失去2个4s电子和1个3d电子后变成＋3价离子，其原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，即26号元素铁。(4)E元素基态原子的M层全充满，说明M层上的3s、3p、3d能级都充满电子，N层没有成对电子，只有一个未成对电子，故电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1，价电子排布式为3d104s1，为铜元素。
[答案] (1)
(2) s
(3)1s22s22p63s23p63d64s2(或[Ar]3d64s2) Fe3＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d5,3d轨道为半充满稳定结构，故Fe2＋容易失去一个电子，被氧化为Fe3＋
(4)3d104s1
2．(18分)氯吡苯脲是一种常用的膨大剂，其结构简式为，它是经国家批准使用的植物生长调节剂。
(1)氯元素基态原子核外电子的未成对电子数为________。
(2)氯吡苯脲晶体中，氮原子的杂化轨道类型为________，羰基碳原子的杂化轨道类型为__________。
(3)查文献可知，可用2氯4氨基吡啶与异氰酸苯酯反应，生成氯吡苯脲：
(4)膨大剂能在动物体内代谢，其产物较为复杂，其中有H2O、NH3、CO2等。
①请用共价键知识解释H2O分子比NH3分子稳定的原因：____________________________。
②H2O、NH3、CO2分子的空间构型分别是_______________，中心原子的杂化类型分别是______________________。
[解析] (1)根据构造原理可知，氯元素基态原子核外电子排布式是1s22s22p63s23p5，所以未成对电子数为1。(2)根据氯吡苯脲的结构简式可知，有2个氮原子均形成3个单键，孤电子对数为1，属于sp3杂化；剩余1个氮原子形成1个双键和1个单键，孤电子对数为1，是sp2杂化；羰基碳原子形成2个单键和1个双键，为sp2杂化。(3)由于σ键比π键更稳定，根据反应方程式可以看出，断裂的化学键为异氰酸苯酯分子中的N===C键中的π键和2氯4氨基吡啶分子中的N—H键。(4)①O、N属于同周期元素，O的非金属性大于N，H—O键的键能大于H—N键的键能，所以H2O分子比NH3分子稳定。②H2O分子中O原子的价层电子对数＝2＋＝4，孤电子对数为2，所以为V形结构，O原子采用sp3杂化；NH3分子中N原子的价层电子对数＝3＋＝4，孤电子对数为1，所以为三角锥形结构，N原子采用sp3杂化；CO2分子中C原子的价层电子对数＝2＋＝2，不含孤电子对，所以是直线形结构，C原子采用sp杂化。
[答案] (1)1 (2)sp2、sp3 sp2
(3)NA NA
(4)①H—O键的键能大于H—N键的键能 ②V形、三角锥形、直线形 sp3、sp3、sp
3．(20分)(2018安徽六安三模)H、C、N、O、W、Fe、V都是生活与化学工业中常见元素，设NA代表阿伏加德罗常数的值。请回答下列问题：
(1)碳负离子CH的空间构型为________；根据等电子原理，NO＋的电子式为________。
(2)N、Na＋、Fe3＋、Cu2＋四种微粒基态的核外电子排布式中未成对电子数最多的是________；Cu2＋在水中呈现蓝色是因为形成了水合铜离子，其化学式为________。
(3)钒可用于人工合成二价钒固氮酶(结构如图甲)。钒固氮酶中钒的配位原子有________(填元素符号)。
(4)烟酰胺(结构如图乙)可用于合成光合辅酶NADPH，烟酰胺分子中氮原子的杂化轨道类型有________，1 mol该分子中含σ键的数目为________。
(5)上图为碳化钨晶体的一部分结构，碳原子嵌入金属钨的晶格的间隙，并不破坏原有金属的晶格，形成填隙＋固溶体，也称为填隙化合物。在此结构中，其中钨原子有________个，1个钨原子周围距离最近的碳原子有________个，假设该部分晶体的体积为V cm3，碳化钨的摩尔质量为M gmol－1，密度为b gcm－3，则阿伏加德罗常数的值NA可表示为________。
(6)12 g石墨烯(结构如图丙)中含有的正六边形的物质的量为________mol；请你预测硅是否容易形成类似石墨烯的结构，并说明理由________________________________________________。
[解析] (1)碳负离子CH中碳原子的价层电子对数＝3＋＝4，含有一对孤对电子，所以空间构型为三角锥形；NO＋与氮气互为等电子体，则根据等电子原理，NO＋的电子式为[N⋮⋮O]＋。(2)N、Na＋、Fe3＋、Cu2＋四种微粒基态的核外电子排布式中未成对电子数分别是3、0、5、1，所以未成对电子数最多的是Fe3＋；Cu2＋在水中呈现蓝色是因为形成了水合铜离子，其化学式为[Cu(H2O)4]2＋。(3)由图可知，钒固氮酶中，N、S均能提供孤电子对，钒的配位原子为S与N。(4)由烟酰胺结构可知，分子中氨基中的N原子形成3个σ键、含有1对孤电子对，杂化轨道数目为4，采取sp3杂化，而环中N原子形成2个σ键、含有1对孤电子对，杂化轨道数目为3，采取sp2杂化；1个分子中含有4个C—H键、2个N—H键、3个C—C键、2个C—N键、4个双键，单键为σ键，双键含有1个σ键、1个π键，故1个分子中含有σ键的数目为15,1 mol该分子中含σ键的数目为15NA。(5)在此结构中钨原子数目为1＋2＋12＋6＝6，以体内钨原子可知，1个钨原子周围距离最近的碳原子有6个；结构中钨原子数目为6、碳原子数目为6，则晶胞的质量为6，则6＝V cm3b gcm－3，故NA＝。(6)12 g石墨烯中碳原子的物质的量为12 g12 gmol－1＝1 mol，由石墨烯的结构图可知，每个碳原子被3个正六边形所共有，则一个正六边形含有6＝2个碳原子，则含有的正六边形数目为1 molNA mol－1＝0.5NA，物质的量是0.5 mol；Si原子半径比碳原子半径大，3p轨道不易重叠形成π键，因此硅不容易形成类似石墨烯的结构。
[答案] (1)三角锥形
(2)Fe3＋ [Cu(H2O)4]2＋
(3)N、S
(4)sp3、sp2 15NA
(5)6 6
(6)0.5 不容易，硅原子半径大于碳原子半径，且3p轨道不易重叠形成π键
拔高练(25分钟 50分)
非选择题(共50分)
1．(16分)A、B、C、D、E五种元素，位于元素周期表的前四周期，它们的核电荷数依次增大，有如下信息：
元素
信息
A
最外层电子数等于电子层数，常温下其单质为气体
B
基态原子的L层p轨道上有2个电子
C
基态原子核外有3个未成对电子
D
主族元素，原子与B原子的价电子数相同
E
基态原子的K层电子数与最外层电子数之比为2∶1，M层处于全充满状态
请回答下列问题：
(1)B与C相比，电负性较大的是________(填元素符号)，E2＋的核外电子排布式为________。
(2)①B可与A形成B2A4化合物，其含有的π键和σ键的个数比为________；
②C可与A形成C2A4化合物，其中C原子的杂化轨道类型为________；
③B与C可以形成BC－，五种元素形成的单质中，与BC－互为等电子体的是________。
(3)B的最高价氧化物与D的最高价氧化物的沸点相差较大的原因是_______________________________________________________
_______________________________________________________。
(4)向含有E2＋的溶液中通入C的常见气态氢化物，先产生沉淀，继续通入该气体，沉淀溶解。请用物质结构解释沉淀溶解的原因：_____________________________________________________。
(5)E单质的晶胞结构如图所示，原子采取面心立方最密堆积。若已知E原子半径为d，NA表示阿伏加德罗常数，摩尔质量为M。
①E原子的配位数为________；
②该晶体的密度可表示为________；
③E原子采取的面心立方最密堆积的空间利用率为________。
[解析] A、B、C、D、E五种元素，均位于元素周期表的前四周期，它们的核电荷数依次增大。前四周期元素原子最外层电子数等于电子层数的有H、Be、Al、Ge，而A的单质在常温下为气体，故A是H；B元素基态原子的L层p轨道上有2个电子，则其基态原子核外电子排布式为1s22s22p2，则B为C(碳)；E元素基态原子的K层电子数与最外层电子数之比为2∶1，M层处于全充满状态，则E原子核外电子数＝2＋8＋18＋1＝29，故E为Cu；D为主族元素，D原子与B原子的价电子数相同，且原子序数小于29，则D为Si；C的基态原子核外有3个未成对电子，且原子序数小于14，则其核外电子排布式为1s22s22p3，故C为N。(1)一般来说，周期表从左到右，元素的电负性逐渐变大，故电负性N>C；Cu2＋的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d9或[Ar]3d9。(2)①B可与A形成CH2===CH2，其含有的π键和σ键的个数比为1∶5；②C可与A形成NH2NH2，其中N原子的价层电子对数为3＋1＝4，杂化轨道类型为sp3；③B与C可形成CN－，为14电子离子，五种元素形成的单质中，与其互为等电子体的是N2。(3)碳元素的最高价氧化物为CO2，其为分子晶体；Si元素的最高价氧化物为SiO2，其为原子晶体。(4)向含有Cu2＋的溶液中通入NH3，先生成Cu(OH)2沉淀，通入过量NH3，Cu(OH)2中的Cu2＋提供空轨道，NH3提供孤对电子，形成配位键，生成[Cu(NH3)4]2＋，Cu(OH)2沉淀溶解。(5)①由图可知，以顶点的Cu原子分析，位于面心的原子与之相距最近，则其配位数为12；②Cu原子半径为d，其面对角线长度为4d，立方体的棱长为4d＝2d，则晶胞体积为(2d)3 ＝16d3，晶胞中含有的Cu原子数目为8＋6＝4，故晶体的密度＝＝；③晶胞为面心立方最密堆积，空间利用率＝100%＝100%≈74%。
[答案] (1)N 1s22s22p63s23p63d9(或[Ar]3d9)
(2)①1∶5 ②sp3 ③N2
(3)碳元素的最高价氧化物为CO2，其为分子晶体；Si元素的最高价氧化物为SiO2，其为原子晶体
(4)Cu(OH)2中的Cu2＋提供空轨道，NH3提供孤对电子，形成配位键，生成[Cu(NH3)4]2＋，Cu(OH)2沉淀溶解
(5)①12 ② ③74%
2．(16分)金属单质及其化合物在工农业生产中有广泛的应用。回答下列问题：
(1)有机铁肥三硝酸六尿素合铁(Ⅲ)，化学式为[Fe(H2NCONH2)6](NO3)3。
①尿素分子中C原子的杂化方式是________。
②该有机铁肥中“H2NCONH2”与Fe(Ⅲ)之间的作用力是_____。根据价层电子对互斥理论推测NO的空间构型为________。
(2)Fe3＋可用SCN－检验。类卤素(SCN)2对应的酸有两种，分别为硫氰酸(H—S—C≡N)和异硫氰酸(H—N===C===S)，这两种酸中沸点较高的是________，原因是____________________________。
(3)一种磁性材料的单晶胞结构如图所示。
①该晶胞中碳原子的原子坐标为________。
②若该晶胞的边长为a pm，NA表示阿伏加德罗常数的值，则该晶体密度的表达式为ρ＝________g/cm3。
[解析] (1)①尿素的结构式为，其中C原子形成3个σ键和一个π键，杂化方式是sp2。②Fe(Ⅲ)提供空轨道，配体H2NCONH2中的两个N原子提供孤对电子，故“H2NCONH2”与Fe(Ⅲ)之间的作用力是配位键；根据价层电子对互斥理论，NO中中心原子N的价层电子对数为3＋＝3，杂化方式是sp2，推测NO的空间构型为平面三角形。(2)硫氰酸(H—S—C≡N)和异硫氰酸(H—N===C===S)中沸点较高的是H—N===C===S，该分子中N原子电负性较大，且存在N—H键，能形成分子间氢键。(3)①根据A、B的坐标可知，两个最近的Sn原子的距离为1，根据晶胞的结构，C位于体心，因此C的坐标是；②Sn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，因此该晶体的化学式为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，ρ＝ g/cm3。
[答案] (1)①sp2 ②配位键 平面三角形
(2)异硫氰酸(H—N===C===S) 异硫氰酸能形成分子间氢键
(3)① ②
3．(18分)(2018湖南郴州质检)硼及其化合物在材料制造、有机合成等方面用途非常广泛。回答下列问题：
(1)VB2是一种导电陶瓷材料，基态钒原子的价电子排布图为________________________。
(2)B、C、N、O四种元素第一电离能由小到大的顺序为________。
(3)硼的卤化物在工业中有重要作用，硼的四种卤化物的沸点如下表所示。
卤化物
BF3
BCl3
BBr3
BI3
沸点/K
172
285
364
483
①四种卤化物沸点依次升高的原因是_____________________
________________________________________________________。
②用BF3分子结构解释反应BF3(g)＋NH4F(s)===NH4BF4(s)能够发生的原因：_____________________________________________
_______________________________________________________。
③制备环硼氨烷的方法如下：
BCl3H3B3N3Cl3B3N3H6
BCl3、LiBH4中硼原子的杂化轨道类型依次为________；与B3N3H6互为等电子体的分子的结构简式为________。
(4)立方氮化硼的晶胞结构与金刚石结构相似(如图所示)，是超硬材料。
①晶胞中每个氮原子周围与其最近且等距离的硼原子有________个。
②结构化学上常用原子坐标参数表示晶胞内部各原子的相对位置，立方氮化硼的晶胞中，B原子的坐标参数分别有：B(0,0,0)；B；B等，则距离上述三个B原子最近且等距离的N原子的坐标参数为________________________。
③已知氮化硼晶胞边长为a pm，则氮化硼晶体的密度为________gcm－3(设NA为阿伏加德罗常数的值，只要求列出计算式)。
[解析] (1)V的核电荷数为23，其价电子排布式为3d34s2，则基态钒原子的价电子排布图为。(2)依据元素周期律及N原子第一电离能的反常可知，B、C、N、O四种元素第一电离能由小到大的顺序为B
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