专题十六 物质结构与性质(选考)
专题强化练
1.(2018·全国卷Ⅲ)锌在工业中有重要作用,也是人体必需的微量元素。回答下列问题:
(1)Zn原子核外电子排布式为________________。
(2)黄铜是人类最早使用的合金之一,主要由Zn和Cu组成。第一电离能
I1(Zn)________I1(Cu)(填“大于”或“小于”)。原因是
_____________________________________________________。
(3)ZnF2具有较高的熔点(872 ℃),其化学键类型是________;ZnF2不溶于有机溶剂而ZnCl2、ZnBr2、ZnI2能够溶于乙醇、乙醚等有机溶剂,原因是________________________________________。
(4)《中华本草》等中医典籍中,记载了炉甘石(ZnCO3)入药,可用于治疗皮肤炎症或表面创伤。ZnCO3中,阴离子空间构型为________,C原子的杂化形式为________。
(5)金属Zn晶体中的原子堆积方式如图所示,这种堆积方式称为______________。六棱柱底边边长为a cm,高为c cm,阿伏加德罗常数的值为NA,Zn的密度为________g·cm(列出计算式)。
-3
解析:(1)Zn是第30号元素,所以核外电子排布式为[Ar]3d4s。
(2)Zn的第一电离能应该高于Cu的第一电离能,原因是,Zn的核外电子排布已经达到了每个能级都是全满的稳定结构,所以失电子比较困难。同时也可以考虑到Zn最外层上是一对电子,而Cu的最外层是一个电子,Zn电离最外层一个电子还要拆开电子对,额外吸收能量。
(3)根据氟化锌的熔点可以判断其为离子化合物,所以一定存在离子键。作为离子化合物,氟化锌在有机溶剂中应该不溶,而氯化锌、溴化锌和碘化锌都是共价化合物,分子的极性较小,能够溶于乙醇等弱极性有机溶剂。
(4)碳酸锌中的阴离子为CO3,根据价层电子对互斥理论,其中心原子C的价电子对为4-3×2+22
3+=3对,所以空间构型为正三角形,中心C为sp杂化。
2
(5)由图示,堆积方式为六方最紧密堆积。为了计算的方便,选取该六棱柱结构进行计算。六棱柱顶点的原子是6个六棱柱共用的,面心是两个六棱柱共用,所以该六棱柱中的锌
2-
10
2
1165
原子为12×+2×+3=6个,所以该结构的质量为6× g。该六棱柱的底面为正六边形,
62NA边长为a cm,底面的面积为6个边长为a cm的正三角形面积之和,根据正三角形面积的计算公式,该底面的面积为6×6×65
322323
a cm,高为c cm,所以体积为6×ac cm。所以密度为:44
NA
6×
32
ac4
=6532
acNA4
g·cm。
-3
答案:(1)[Ar]3d4s
(2)大于 Zn核外电子排布为全满稳定结构,较难失电子
(3)离子键 ZnF2为离子化合物,ZnCl2、ZnBr2、ZnI2的化学键以共价键为主、极性较小 (4)平面三角形 sp (5)六方最密堆积(A3型)
32
NA×6××ac4
65×6
2
102
2.硫和钒的相关化合物,在药物化学及催化化学等领域应用广泛。回答下列问题: (1)基态钒原子的外围电子轨道表达式为_________________。
钒有+2、+3、+4、+5等多种化合价,其中最稳定的化合价是______________,VO4
的几何构型为__________。
(2)2-巯基烟酸氧钒配合物(图1) 是副作用较小的有效调节血糖的新型药物。
3-
①该药物中S 原子的杂化方式是____________,所含第二周期元素第一电离能按由大到小顺序的排列是__________________。
②2-巯基烟酸(图2)水溶性优于2-疏基烟酸氧钒配合物的原因是 _____________________________________________________。
(3)多原子分子中各原子若在同一平面,且有相互平行的p轨道,则p电子可在多个原子间运动,形成“离域π键”,下列物质中存在“离域π键”的是________。
A.SO2 B.SO4 C.H2S D.CS2
(4)某六方硫钒化合物晶体的晶胞如图3所示,该晶胞的化学式为_______。图4 为该晶胞的俯视图,该晶胞的密度为_____ g·cm (列出计算式即可)。
-3
2-
解析:(1) 钒为23号元素,电子排布式为[Ar]3d4s,所以外围电子排布式为3d4s,所以外围电子轨道表达式为
3
2
3
2
其最稳定的化合价是+5,即失去所有的价电子,形成最外层8电子的稳定结构;根据价层电子对互斥原理,VO4中的中心原子V的价电子为5,配位原子O不提供电子,带有三个单位负电荷,所以外层电子为8个,共4对,空间构型为正四面体。
(2) ①从图中得到S的配位数为2,所以此时S的外层有6+2=8个电子,电子对为4,所以S应该的杂化方式是sp杂化;其中含有的第二周期元素是C、N、O,同周期元素从左向右应该是第一电离能增大,因为N的2p能级上有3个电子,是p能级的半满稳定结构,所以N的第一电离能反常增大,所以第一电离能为N>O>C;②2-巯基可以与水分子形成氢键,所以其水溶性会更好。
(3)从题目表述来看,形成离域π键的要求是:①原子共平面;②有相互平行的p轨道。根据价层电子对互斥理论,二氧化硫为平面三角形,硫酸根为正四面体,硫化氢为V型,二硫化碳为直线型。所以选项B一定错误;而硫化氢的H原子不存在p轨道。所以选项C错误。由上正确的是选项AD。
11
(4)晶胞中有V为:8×+4×=2个,S为:2×1=2个,所以化学式为VS;因为该晶
842×8332
胞中有2个VS,所以晶胞质量为g; 根据图4得到晶胞的面积为a×a nm,所以晶
NA2
2×83
3
胞的体积为:a×a×b nm3,1 nm=10-7cm,所以晶体密度为
2
33-
NA
3
a×a×b×10-21
2
=
2×8332
abNA×10-212
g·cm。
-3
答案:(1)
3
+5 正四面体
(2)①sp N>O>C ②2-巯基烟酸的羧基可与水分子之间形成氢键,使其在水中溶解度增大
(3)AD (4) VS ρ=
2(32+51)
3-21×102
g·cm
-3
a2bNA×
3.据媒体报道,法国一家公司Tiamat日前研发出比当前广泛使用的锂电池成本更低、寿命更长、充电速度更快的钠离子电池,预计从2020年开始实现工业生产。该电池的负极材料为Na2Co2TeO6(制备原料为Na2CO3、Co3O4和TeO2),电解液为NaClO4的碳酸丙烯酯溶液。
回答下列问题:
(1)Te属于元素周期表中________区元素,其基态原子的价电子排布式为________。 (2)基态Na原子中,核外电子占据的原子轨道总数为________,最高能层电子云轮廓图形状为________。
(3)结合题中信息判断:C、O、Cl的电负性由大到小的顺序为 _____________________________________ (用元素符号表示)。
(4)CO3的几何构型为________;碳酸丙烯酯的结构简式如图所示,则其中碳原子的杂化轨道类型为________,1 mol碳酸丙烯酯中键的数目为________。
2-
(5)[Co(H2O)6]的几何构型为正八面体形,配体是________,该配离子包含的作用力为__________(填字母)。
A.离子键 B.极性键 C.配位键 D.氢键 E.金属键
(6)Na和O形成的离子化合物的晶胞结构如图所示,晶胞中O的配位数为________,该晶胞的密度为ρ g·cm,阿伏加德罗常数的值为NA,则Na与O之间的最短距离为________cm(用含ρ、NA的代数式表示)。
-3
3+
解析:(1)Te与O是同一主族元素,属于元素周期表中p区元素,Te为第5周期第ⅥA族元素,其基态原子的价电子排布式为5s5p。
(2)基态Na原子的电子排布式为1s2s2p3s,核外电子占据的原子轨道总数为6,最高能层电子为3s,电子云轮廓图为球形。
(3)元素的非金属性越强,氧气与氯化氢能够反应生成氯气和水,氧元素的非金属性最强,电负性数值越大,C、O、Cl的电负性由大到小的顺序为O>Cl>C。
2
2
6
1
2
4
12-
(4)CO3中C的价层电子对数=3+×(4+2-3×2)=3,几何构型为平面三角形;根据
2碳酸丙烯酯的结构简式,则其中碳原子有2种,不饱和的碳氧双键中的C原子采用sp杂化,饱和的碳原子采用sp杂化;1 mol碳酸丙烯酯中含有6 mol C—H,4 mol C—O,2 mol C—C和1 mol C===O,共13 mol,键的数目为13×6.02×10。
(5)[Co(H2O)6]的几何构型为正八面体形,配体是H2O,该配离子包含的作用力有H—O极性键、配位键,故答案为BC。
11+2-+2-
(6)晶胞中Na离子数目为8,O离子数目为8×+6×=4,Na离子、O离子数目之
82比为2∶1,故该晶体化学式为Na2O,由图可知,每个Na离子周围有4个O离子、Na离子配位数为4,距一个阴离子周围最近的所有阳离子有8个,则O的配位数为8;晶胞质量4×624×624×623-3-3
为 g,该晶胞的密度为ρ g·cm,而晶胞体积为 g÷ρ g·cm= cm,
NANAρNA34×621334×62晶胞棱长为 cm,则Na与O之间的最短距离为立方体对角线的=×
ρNA44ρNAcm。
答案: (1)p 5s5p (2)6 球形 (3)O>Cl>C (4)平面三角形 sp sp 13NA(或13×6.02×10) 33248
(5)H2O BC (6)8 ×
4ρNA
4.原子序数依次增大的四种元素A、B、C、D分别处于第一至第四周期。自然界中存在多种A的化合物,B 原子核外电子有6 种不同的运动状态,B与C可形成正四面体形分子。D的基态原子的最外能层只有一个电子,其他能层均已充满电子。请回答下列问题:
(1)这四种元素中电负性最大的元素.其基态原子的价电子排布图为________,第一电离能最小的元素是________(填元素符号)。
(2)C所在主族的前四种元素分别与A形成的化合物,沸点由高到低的顺序是________(填化学式),呈现如此递变规律的原因是
_____________________________________________________。
(3)B元素可形成多种单质,一种晶体结构如图一所示,其原子的杂化类型为________、另一种的晶胞如图二所示,若此晶胞中的棱长为356.6 pm,则此晶胞的密度为________g·cm
-3
2
3
23
2
4
+
2-
+
3+
23
3
2
(保留两位有效数字)。(3=1.732)
(4)D元素形成的单质,其晶体的堆积模型为__________,D的醋酸盐晶体局部结构如图三,该晶体中含有的化学键是________(填选项序号)。
①极性键 ②非极性键 ③配位键 ④金属键
解析:原子序数依次增大的四种元素A、B、C、D分别处于第一至第四周期,自然界中存在多种A的化合物,则A为氢元素;B原子核外电子有6种不同的运动状态,即核外有6个电子,则B为碳元素;D的基态原子的最外层只有一个电子,其他能层均已充满电子,D原子外围电子排布为3d4s,则D为Cu元素;结合原子序数可知,C只能处于第三周期,B与C可形成正四面体型分子,则C为氯元素。
(1)四种元素中电负性最大的是Cl,其基态原子的价电子排布为3s3p,其基态原子的
2
5
10
1
价电子排布图为的第一电离能最小。
,四种元素中只有Cu为金属,其它为非金属,Cu
(2)HF分子之间形成氢键,使其熔沸点较高,HI、HBr、HCl分子之间只有范德华力,相对分子质量越大,范德华力越大,沸点越高,即沸点由高到低的顺序是HF>HI>HBr>HCl。
(3)图一为平面结构,在其层状结构中碳碳键键角为120°,每个碳原子都结合着3个113
碳原子,碳原子采取sp杂化;一个晶胞中含碳原子数为8×+6×+4=8,晶胞质量为
828×12
NA
g,所以晶胞密度=[(8×12)÷6.02×10g]÷(356.6×10
23-10
cm)≈3.5 g·cm;(4)
-3
根据图示可知晶体Cu为面心立方最密堆积,结合图三醋酸铜晶体的局部结构可确定其晶体中含有极性键、非极性键和配位键,故选项是①②③。
答案:(1) Cu
(2)HF>HI>HBr>HCl HF分子之间形成氢键使其熔沸点较高,HI、HBr、HCl分子之间只有范德华力,相对分子质量越大,范德华力越大,沸点越高
(3)sp 3.5 (4)面心立方最密堆积 ①②③
5.(2017·海南卷) Ⅰ.下列叙述正确的有 。(填序号) A.某元素原子核外电子总数是最外层电子数的5倍,则其最高正价为+7 B.钠元素的第一、第二电离能分别小于镁元素的第一、第二电离能 C.高氯酸的酸性与氧化性均大于次氯酸的酸性和氧化性 D.邻羟基苯甲醛的熔点低于对羟基苯甲醛的熔点
Ⅱ.ⅣA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
2
的共价键类型有 ,碳原子的杂化轨道类型为 。
(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 分子(填“极性”或“非极性”)。
(3)四卤化硅SiX4的沸点和二卤化铅PbX2的熔点如图(b)所示。 ①SiX4的沸点依F、Cl、Br、I次序升高的原因是_____________ _____________________________________________________。
②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 g·cm。
解析:Ⅰ.某元素原子核外电子总数是最外层电子数的5倍,此元素是Br,位于ⅦA族,最高正价为+7价,故A正确;金属钠比镁活泼,容易失去电子,因此钠的第一电离能小于Mg的第一电离能,Na最外层只有一个电子,再失去一个电子,出现能层的变化,需要的能量增大,Mg最外层有2个电子,因此Na的第二电离能大于Mg的第二电离能,故B错误;HClO4可以写成(HO)ClO3,HClO写成(HO)Cl,高氯酸中的非羟基氧多于次氯酸,因此高氯酸的酸性强于次氯酸,但高氯酸的氧化性弱于次氯酸,故C错误;邻羟基苯甲醛形成分子内氢键,降低物质熔点,对羟基苯甲醛形成分子间氢键,增大物质熔点,因此邻羟基苯甲醛的熔点低于对羟基苯甲醛的熔点,故D正确。Ⅱ.(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σ键和π键;石墨中碳原子有3个σ键,无孤电子对,因此杂化类型4-4×12为sp。(2)SiCl4中心原子是Si,有4个σ键,孤电子对数为=0,价层电子对数
2为4,空间构型为正四面体;属于非极性分子。(3)①SiX4属于分子晶体,不含分子间氢键,范德华力越大,熔沸点越高,范德华力随着相对分子质量的增大而增大,即熔沸点增高;②同主族从上到下非金属性减弱,得电子能力减弱,因此PbX2中化学键的离子型减弱,共价
-3
11
型增强。(4)根据晶胞的结构,C60位于顶点和面心,个数为8×+6×=4,K位于棱上和
8214×837
内部,个数为12×+9=12,因此化学式为K3C60,晶胞的质量为 g,晶胞的体积为
4 NA(1.4×10)cm,根据密度的定义,则晶胞的密度为2.0 g·cm。
答案:Ⅰ.AD
Ⅱ.(1)混合型晶体 σ键、π键 sp (2)4 正四面体 非极性
(3)①均为分子晶体,范德华力随分子相对质量增大而增大,即熔沸点升高 ②减弱 增强
(4)K3C60 2.0
6.钛被称为继铁、铝之后的第三金属,制备金属钛的一种流程如下:
2
-7
3
3
-3
请回答下列问题:
(1)基态钛原子的价层电子排布图为__________,其原子核外共有________种运动状态不同的电子,Ti
形成的+4
价化合物最稳定,原因是
__________________________________________________。
金属钛晶胞如图1所示,为________(填堆积方式)堆积。
(2)已知TiCl4在通常情况下是无色液体,熔点为-37 ℃,沸点为136 ℃,可知TiCl4
为________晶体。用TiCl4的HCl溶液,后经不同处理可得到两种不同的TiCl3·6H2O晶体:[Ti(H2O)6]Cl3(紫色)、[TiCl(H2O)5]Cl2·H2O(绿色)。两者配位数________(填“相同”或“不同”),绿色晶体中的配体是________。
(3)纳米TiO2是一种应用广泛的催化剂,其催化的一个实例如图2所示。化合物乙的沸点明显高于化合物甲的,主要原因是______。
化合物乙中采取sp杂化的原子的第一电离能由大到小的顺序为________________。
3
图2
(4)硫酸氧钛晶体中阳离子为链状聚合形式的离子,结构如图3所示。该阳离子为______________。
图3
(5)钙钛矿晶体的结构如图4所示。钛离子位于立方晶胞的顶点,被________个氧离子包围成配位八面体;钙离子位于立方晶胞的体心,被________个氧离子包围。钙钛矿晶体的化学式为_____。
解析:(1)观察图1可知,正好符合镁晶胞的六方最密堆积。(2)考查分子晶体、配合物的成键情况。因TiCl4的熔、沸点较低,故TiCl4为分子晶体。(3)考查氢键及第一电离能的大小比较。氢键的存在导致物质熔沸点升高,乙分子间含有氢键、甲分子间不含氢键,则化合物乙的沸点高于化合物甲的。化合物乙中采取sp杂化的原子有C、N、O,同一周期元素,元素原子的第一电离能随着原子序数的递增而呈增大趋势,但第ⅡA族、第ⅤA族元素原子的第一电离能大于其相邻元素原子的第一电离能,所以第一电离能的大小关系为N>O>C。(4)考查利用均摊法计算原子个数之比。由图3可知,每个O原子被2个Ti原子共用,每个Ti原子被2个O原子共用,利用均摊法计算二者原子个数之比为1∶1,Ti元素为+4价,O元素为-2价,据此可知该阳离子为TiO(或[TiO]n)。(5)考查根据晶胞结构书写晶体的化学式。钛离子位于立方晶胞的顶角,被6个氧离子包围成配位八面体;钙离子位于立方晶胞的体心,被12个氧离子包围,每个晶胞中钛离子和钙离子均为1个,晶胞的12个边长上1
各有1个氧离子,根据均摊原则,每个晶胞实际占有氧离子数为12×=3,则晶胞的化学
4式为CaTiO3。
2+
2n+3
答案:(1)
22 最外层达到8电子稳定结构 六方最密 (2)分子 相同 H2O、Cl
(3)化合物乙分子间形成氢键 N>O>C (4)TiO(或[TiO]n) (5)6 12 CaTiO3 2+
2n+
-
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