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- 2021-08-06 发布
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非选择题专项训练四 物质结构与性质(选修)
1.碳、硅两元素广泛存在于自然界中。请回答下列问题:
(1)基态14C原子的核外存在 对自旋状态相反的电子,硅原子的电子排布式为 。
(2)晶体硅的结构与金刚石非常相似。晶体硅中硅原子的杂化方式为 杂化;金刚石、晶体硅和金刚砂(碳化硅)的熔点由高到低的顺序为 。
(3)科学研究结果表明,碳的氧化物CO2能够与H2O借助于太阳能制备HCOOH。其反应原理如下:2CO2+2H2O2HCOOH+O2,则生成的HCOOH分子中σ键和π键的个数比是 。
(4)碳单质有多种形式,其中C60、石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示:
①C60、石墨烯与金刚石互为 。
②C60形成的晶体是分子晶体,C60分子中含有12个五边形和20个六边形,碳与碳之间既有单键又有双键,已知C60分子所含的双键数为30,则C60分子中有 个C—C键(多面体的顶点数、面数和棱边数的关系,遵循欧拉定理:顶点数+面数-棱边数=2)。在石墨烯晶体中,每个C原子连接 个六元环;在金刚石晶体中,每个C原子连接的最小环也为六元环,六元环中最多有 个C原子在同一平面。
③金刚石晶胞含有 个碳原子。若碳原子的半径为r,金刚石晶胞的边长为a,根据硬球接触模型,则r= a,碳原子在晶胞中的空间占有率为 (不要求计算结果)。
答案:(1)2 1s22s22p63s23p2
(2)sp3 金刚石>金刚砂>晶体硅
(3)4∶1
(4)①同素异形体 ②60 3 4 ③8 38 3π16
解析:(1)14C原子核外的电子排布式为1s22s22p2,两个s轨道上分别有2个自旋状态相反的电子,根据洪特规则,另两个p电子分居在两个轨道上;硅原子的电子排布式为1s22s22p63s23p2。
(2)晶体硅的每个原子均形成了四个Si—Si键,所以硅原子采用sp3杂化;金刚石、晶体硅和金刚砂(碳化硅)三种晶体的结构相似,均为原子晶体,根据键长可以判断三种晶体的熔点由高到低的顺序为:金刚石>金刚砂>晶体硅。
(3)HCOOH分子中有1个σC—H键、1个σO—H键、2个σC—O键和1个πC—O键,即σ键和π键的个数比是4∶1。
(4)①C60、石墨烯与金刚石为不同结构的碳单质,三者互为同素异形体。②已知C60的顶点数为60,面数为32,由欧拉定理计算键数(即棱边数):60+(12+20)-2=90,已知该分子中含双键30个,C60分子中的单键数为:90-30=60。在石墨烯晶体中,每个C原子连接3个六元环。由金刚石
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的晶体结构图可以看出,六元环中最多有4个C原子在同一平面。③由金刚石的晶胞结构可看出,碳原子位于晶胞的顶点、面心和体内,故晶胞中含有的碳原子数目为18×8+12×6+4=8。根据硬球接触模型可知,在立方体的对角线上碳原子紧密接触,故8r=3a,则r=38a,8个碳原子的体积为8×43πr3=8×43π×(38a)3=3πa316,故原子利用率为3π16。
2.开发新型储氢材料是氢能利用的重要研究方向。
(1)Ti(BH4)3是一种储氢材料,可由TiCl4和LiBH4反应制得。
①基态Ti3+的未成对电子有 个。
②LiBH4由Li+和BH4-构成,BH4-呈四面体构型,LiBH4中不存在的作用力有 (填标号)。
A.离子键 B.共价键
C.金属键 D.配位键
③Li、B、H元素的电负性由大到小排列顺序为 。
(2)金属镍与镧(La)形成的合金是一种良好的储氢材料,其晶胞结构示意图如图所示。该合金的化学式为 。
答案:(1)①1 ②C ③H>B>Li
(2)LaNi5
解析:(1)①基态Ti3+的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d1,其未成对电子数是1;②Li+和BH4-之间存在离子键,硼原子和氢原子之间存在共价键、配位键,所以该化合物中不含金属键,故选C;③非金属性越强其电负性越大,非金属性最强的是H,其次是B,最小的是Li,所以Li、B、H的电负性由大到小排列顺序为H>B>Li。
(2)La的原子个数=18×8=1,Ni的原子个数=8×12+1=5,所以该合金的化学式为LaNi5。
3.H、C、N、O都属于自然界中常见的非金属元素。
(1)O、C、N三种元素中第一电离能最大的元素的基态原子的电子排布式为 。
(2)O22+与N2互为等电子体,O22+的电子式可表示为 ,O22+中σ键数目和π键数目之比为 。
(3)乙二胺(结构简式为H2N—CH2—CH2—NH2)分子中的碳原子的杂化轨道类型为 , Cu2+与乙二胺可形成配离子,该配离子中含有的化学键类型有 (填字母)。
A.配位键 B.极性键
C.离子键 D.非极性键
(4)CO和N2的键能数据如下表所示(单位:kJ·mol-1):
物质
化学键
A—B(A)
AB(A)
A≡B(A)
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CO
357.7
798.9
1 071.9
N2
154.8
418.4
941.7
结合数据说明CO比N2活泼的原因: 。
(5)C、N元素形成的新材料的晶胞具有如图所示结构,该晶体硬度超过目前世界上最硬的金刚石,成为超硬新材料,若晶胞边长为a cm,则该晶体的密度是 g·cm-3(只要求列算式,不必计算出数值,阿伏加德罗常数的值为NA)。
答案:(1)1s22s22p3
(2)[∶O︙︙O∶]2+ 1∶2
(3)sp3 ABD
(4)虽然C≡O键的键能高达1 071.9 kJ·mol-1,比N≡N键的键能大,但是断裂1 mol CO分子中第一个π键需要的能量只有273.0 kJ,而断裂1 mol N2分子中第一个π键需要的能量是523.3 kJ,CO的第一个π键更易断裂
(5)92a3NA
解析:(1)由于氮原子2p轨道上的电子处于半充满状态,失去1个电子需要较高能量,所以第一电离能在O、C、N三种元素中最大,C的原子半径大于O的,失去1个电子所需能量低于O失去1个电子所需能量,故第一电离能大小顺序为CO>C>B
D.化合物A中存在配位键
②1个(HBNH)3分子中有 个σ键。
(4)在硼酸盐中,阴离子有链状、环状等多种结构形式。图(a)是一种链状结构的多硼酸根,则多硼酸根离子符号为 。图(b)是硼砂晶体中阴离子的环状结构,其中硼原子采取的杂化类型为 。
答案:(1)3s23p63d10
(2)C (3)①A ②12
(4)[BO2]nn-(或BO2-) sp2、sp3
解析:(1)Cu是29号元素。基态Cu+的核外有28个电子,轨道处于全空、全满或半满时较稳定,故最外层电子排布式为3s23p63d10。(2)N5+中有34个电子,A项错;N5+中每个氮原子均满足8电子结构,则每个氮原子要形成3个共用电子对,每个氮原子还剩下1对孤电子对,那么未成键的电子对为5对,B项错;N5+中存在两个氮氮三键,C项对。(3)①CH4是sp3杂化,CO2中的碳原子的轨道杂化类型是sp杂化,轨道杂化方式改变,A项错;CH4、H2O、CO2分子立体构型分别是:正四面体形、V形、直线形,B项对;非金属性越强,第一电离能越大。但是由于氮原子的最外层p轨道处于半充满的稳定状态,所以其第一电离能比氧元素的还大,故第一电离能大小为N>O>C>B,C项对;在化合物A中氮原子上存在配位键,D项对;②根据(HBNH)3的分子结构是六元环,共9个单键、3个双键,故1个(HBNH)3分子中有12个σ键。(4)由图(a)可知多硼酸根离子符号为[BO2]nn-(或BO2-);由图(b)硼砂晶体可知其中硼原子采取的杂化类型为sp2、sp3。
5.碳元素不仅能形成丰富多彩的有机化合物,而且还能形成多种无机化合物,同时自身可以形成多种单质,碳及其化合物的用途广泛。
(1)C60分子中每个原子接2个单键和一个双键,它与F2发生加成反应,其加成产物的分子式为 ; C60的晶体结构类似于干冰,则每个C60晶胞的质量为 (用含NA的式子表示)。
(2)干冰和冰是两种常见的分子晶体,下列关于两种晶体的比较中正确的是 。
A.晶体的密度:干冰>冰
B.晶体的熔点:干冰>冰
C.晶体中的空间利用率:干冰>冰
D.晶体中分子间相互作用力类型相同
(3)金刚石和石墨是碳元素形成的两种常见单质,下列关于这两种单质的叙述中正确的有 。
A.金刚石中碳原子的杂化类型为sp3杂化,石墨中碳原子的杂化类型为sp2杂化
B.晶体中共价键的键长:金刚石C—C<石墨中C—C
C.晶体的熔点:金刚石>石墨
D.晶体中共价键的键角:金刚石>石墨
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E.金刚石晶体中只存在共价键,石墨晶体中则存在共价键、金属键和范德华力
F.金刚石和石墨的熔点都很高,所以金刚石和石墨都是原子晶体
(4)立方BN结构与金刚石相似,晶胞结构如下图,在BN晶体中,B周围最近的N所构成的立体图形为 ,B与N之间共价键与配位键的数目比为 ,一个晶胞中N数目为 。
(5)碳与孔雀石共热可以得到金属铜,铜原子的原子结构示意图为 ,金属铜采用面心立方最密堆积,则Cu的晶体中铜原子的配位数为 。已知Cu单质的晶体密度为ρ g·cm-3,Cu的相对原子质量为M,阿伏加德罗常数的数值为NA,则Cu的原子半径为 。
答案:(1)C60F60 2 880NA g
(2)AC (3)AE
(4)正四面体 3∶1 4
(5) 12 24×34MρNA cm
解析:(1)C60中双键个数为12×60=30,加成产物的分子式为C60F60。设每个C60晶胞的质量为x,则
x·NA=4×720 g·mol-1
x=4×720 g·mol-1NA=2 880NA g。
(2)干冰是面心立方堆积而冰是体心立方堆积,所以干冰的密度大于冰,空间利用率也大。
(4)B原子最外层有3个电子,所以B与N之间共价键与配位键的数目之比为3∶1。
(5)设晶胞的棱长为a。
则a3·ρ·NA=4M
a=34MρNA
面对角线为234MρNA。设铜原子半径为r,则
4r=234MρNA
r=24×34MρNA cm。
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