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全国通用版2022版高考化学一轮复习第12章物质结构与性质3晶体结构与性质课时作业含解析
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这是一份全国通用版2022版高考化学一轮复习第12章物质结构与性质3晶体结构与性质课时作业含解析，共14页。试卷主要包含了金属钛号称航空材料，4 B，00 g·L-1×53等内容，欢迎下载使用。
晶体结构与性质
(45分钟 100分)
非选择题(本题包括7小题,共100分)
1.(16分)金属钛(22Ti)号称航空材料。回答下列问题:
(1)钛元素基态原子未成对电子数为__________个,能量最高的电子占据的能级符号为______________,
该能级所在能层具有的原子轨道数为____________。
(2)[Ti(OH)2(H2O)4]2+中的化学键有_______________________。
a.σ键 b.π键
c.离子键 d.配位键
(3)纳米TiO2是一种应用广泛的催化剂,纳米TiO2催化的一个实例如图所示。
化合物甲的分子中采取sp2杂化方式的碳原子个数为__________,化合物乙中采取sp3杂化的原子的第一电离能由小到大的顺序为__________。
(4)工业上制金属钛采用金属还原四氯化钛。先将TiO2(或天然的金红石)和足量炭粉混合加热至1 000～1 100 K,进行氯化处理,生成TiCl4。写出生成TiCl4的化学反应方程式:________________________________。
(5)有一种氮化钛晶体的晶胞如图所示,该晶体的化学式为__________,该晶体中与钛原子距离最近且相等的氮原子的个数为__________。已知晶体的密度为ρ g·cm-3,阿伏加德罗常数为NA,则晶胞边长为__________cm(用含ρ、NA的式子表示)。
【解析】(1)钛元素价电子排布式为3d24s2,基态原子价电子排布图为,可见钛元素基态原子未成对电子数为2个,能量最高的电子占据的能级符号为3d,该能级所在能层为M能层,有3s、3p、3d,分别含有原子轨道数目为1、3、5,具有的原子轨道数为9。
(2)OH-和H2O中H和O都是以σ键结合在一起,Ti4+提供空轨道,H2O和OH-提供孤电子对,形成配位键,即[Ti(OH)2(H2O)4]2+中的化学键只有σ键和配位键。
(3)采取sp2杂化的碳原子价层电子对数是3,该分子中碳原子价层电子对数为3的有:苯环上的碳原子、连接羰基的碳原子,所以一共有7个;采取sp3杂化的原子价层电子对数是4,价层电子对个数是4的原子有:连接甲基和羟基的碳原子、氧原子和氮原子,同一周期元素中,元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势,但第ⅤA族元素大于相邻元素,所以这三种元素第一电离能从小到大顺序是C
TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO;
(5)观察晶胞N位于立方体的顶点和面心位置,N数=8×+6×=4;Ti位于晶胞内,有4个,化学式可写为TiN;由晶胞图可知与Ti相连的N有四个,组成正四面体;晶胞质量为4×g,晶体的密度为ρ g·cm-3,则晶胞边长为=cm。
答案:(1)2 3d 9
(2)ad (3)7 C
(5) TiN 4
2.(15分)钾和碘的相关化合物在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用。回答下列问题:
(1)元素K的焰色反应呈紫红色,其中紫色对应的辐射波长为________nm(填标号)。
A.404.4 B. 553.5 C.589.2 D.670.8 E.766.5
(2)基态K原子中,核外电子占据最高能层的符号是________,占据该能层电子的电子云轮廓图形状为________。K和Cr属于同一周期,且核外最外层电子构型相同,但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低,原因是____________________。
(3)X射线衍射测定等发现,I3AsF6中存在离子。离子的几何构型为________,中心原子的杂化形式为________________。
(4)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料,具有钙钛矿型的立方结构,边长为a=0.446 nm,晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置,如图所示。K与O间的最短距离为________nm,与K紧邻的O个数为________。
(5)在KIO3晶胞结构的另一种表示中,I处于各顶角位置,则K处于________位置,O处于________位置。
【解析】(1)紫色光波长范围大约在380 nm到440 nm之间,故选A。
(2)基态K原子中,最外层电子排布为4s1,核外电子占据的最高能层为第四层,符号是N,占据该能层电子的电子云轮廓图形状为球形。K和Cr都属于金属晶体,Cr的价电子数多,半径小,金属键强,所以K的熔点、沸点等都比金属Cr低。(3)根据计算公式,的价层电子对数=(7+2×1-1)/2=4,结构如下:
[I——I]+,中心碘原子形成了两个σ键,有两对孤电子对,因此杂化方式为sp3,构型为V形。
(4)根据晶胞结构,位于顶角的K和位于相邻面心的O之间的距离最短,且刚好等于晶胞面对角线长度的一半,因此最短距离=a/2≈1.414×0.446/2≈0.315(nm)。求与K紧邻的O个数,即求顶角周围面心的个数,其实也就是面心立方密堆积的配位数为12。
(5)若将体心的位置设定为顶角,原本顶角的位置变成了体心,面心的位置变成了棱心。因此K位于体心位置,O位于棱心位置。
答案:(1)A
(2)N 球形 K原子半径较大且价电子数较少,金属键较弱
(3)V形 sp3
(4)0.315 12
(5)体心 棱心
3.(12分)地球表面十公里厚的地层中,含钛元素达千分之六,比铜多61倍,金属钛(Ti)被誉为21世纪金属,其单质和化合物具有广泛的应用价值。氮化钛(Ti3N4)为金黄色晶体,由于具有令人满意的仿金效果,越来越多地成为黄金的代替品。以TiCl4为原料,经过一系列反应可以制得Ti3N4和纳米TiO2(如下图)。
图中的M是短周期金属元素,M的部分电离能如下表:
I1
I2
I3
I4
I5
电离能/
(kJ·mol-1)
738
1 451
7 733
10 540
13 630
请回答下列问题:
(1)TiO2为离子晶体,已知晶体中阳离子的配位数为6,阴离子的配位数为3,则阳离子的电子排布式为__________。
(2)金属Ti与金属M的晶体原子堆积模型相同,其堆积模型为__________(填写堆积模型名称),晶体中原子在二维平面里的配位数为______________。
(3)室温下TiCl4为无色液体,沸点为136.4 ℃,由此可知其晶体类型为__________,构成该晶体的粒子的空间构型为__________。
(4)有一种氮化钛晶体的晶胞与NaCl晶胞相似,如图所示,已知该氮化钛的密度为ρ g·cm-3,则该晶胞中N、Ti之间的最近距离为__________pm(NA为阿伏加德常数的数值,只列算式)。该晶体中与钛原子距离相等且最近的钛原子有__________个。
(5)科学家通过X射线探明KCl、MgO、CaO、TiN的晶体与NaCl的晶体结构相似。且知三种离子晶体的晶格能数据如下:
离子晶体
NaCl
KCl
CaO
晶格能/(kJ·mol-1)
786
715
3 401
KCl、CaO、TiN三种离子晶体硬度由低到高的顺序为__________。
【解析】(1)Ti是阳离子,Ti是22号元素,因此Ti4+的电子排布式为1s22s22p63s23p6。(2)根据金属M的电离能,在第二电离能到第三电离能发生突变,说明最外层有2个电子,M是短周期金属元素,根据部分电离能,推出是Mg,金属Ti与Mg的晶体原子堆积模型相同,因此堆积模型为六方最密堆积,二维平面里的配位数为6。(3)TiCl4为无色液体,且沸点较低,符合分子晶体的特点,因此TiCl4属于分子晶体,空间构型为正四面体。(4)根据晶胞的结构,最近N和Ti的位置是棱长的一半,设棱长为a pm,晶胞中Ti位于棱上和体心,个数为12×+1=4,N位于面心和顶点,个数为8×+6×=4,化学式为TiN,晶胞的质量为 g,根据密度的定义求Ti和N的最近距离是×1010,根据晶胞的结构,距离Ti最近的Ti上面有四个,同一平面的有4个,下面有4个,共有12个。(5)晶格能越大,硬度越大,晶格能与阴阳离子所带电荷数以及阴阳离子的半径有关,所带电荷数越多,半径越小,晶格能越大,硬度越大,即KCl
(2)六方最密堆积 6
(3)分子晶体 正四面体
(4)×1010 12
(5)KCl
(1)B的单质晶体为体心立方堆积模型,其配位数为__________;E元素的最高价氧化物分子的立体构型是______________。F元素原子的核外电子排布式是______________,G的高价离子与A的简单氢化物形成的配离子的化学式为______________。
(2)试比较B、D分别与F形成的化合物的熔点高低并说明理由__________。
(3)A、G形成某种化合物的晶胞结构如图所示。若阿伏加德罗常数为NA,该化合物晶体的密度为a g·cm-3,其晶胞的边长为__________cm。
(4)在1.01×105 Pa、t1 ℃时,气体摩尔体积为53.4 L·mol-1,实验测得Q的气态密度为5.00 g·L-1,则此时Q的组成为(写化学式)__________。
【解析】A、B、C、D、E、F、G七种元素的核电荷数依次增大,属于元素周期表中前四周期的元素。其中A原子在基态时p轨道半充满且电负性是同族元素中最大的,因此A是N。D、E原子核外的M层中均有两个未成对电子,则D的M层为3s23p2,是Si。E的M层为3s23p4,是S。B、E两元素组成化合物B2E的晶体为离子晶体,所以B为ⅠA族的金属,B应该是钠元素。G原子核外最外层电子数与B相同,其余各层均充满,且G的原子序数最大,因此G是铜。C、F的原子均有三个能层,因此C、F在第3周期。C的逐级电离能前三个数据接近,第四电离能突变,所以易失去三个电子,为第ⅢA族元素,C是铝。C与F能形成原子数目比为1∶3、熔点为190 ℃的化合物Q ,说明F为-1价,即F为氯元素。
(1)金属钠的单质晶体为体心立方堆积模型,其配位数为8;E元素的最高价氧化物分子是三氧化硫,其中心原子硫原子含有的孤电子对数=(6-3×2)÷2=0,所以三氧化硫分子的立体构型是平面三角形。根据构造原理可知,氯元素原子的核外电子排布式是1s22s22p63s23p5;G的高价离子Cu2+与A的简单氢化物NH3形成的配离子的化学式为[Cu(NH3)4]2+。
(2)B、D与F形成的化合物分别是氯化钠和四氯化硅。因为NaCl是离子晶体,SiCl4是分子晶体,所以NaCl的熔点高于SiCl4。
(3)根据晶胞的结构可知,氮原子在顶点,含有的个数=8×=1。铜在棱边,含有的个数=12×=3,即化学式为Cu3N。设边长为x cm,则×NA=1,解得x=。
(4)根据M=ρ×Vm=5.00 g·L-1×53.4 L·mol-1=267,是AlCl3相对分子质量的267÷133.5=2倍,所以其化学式为Al2Cl6。
答案:(1)8 平面三角形 1s22s22p63s23p5
[Cu(NH3)4]2+
(2)NaCl的熔点高于SiCl4,因为NaCl是离子晶体,SiCl4是分子晶体
(3) (4)Al2Cl6
5.(14分)磁性材料氮化铁镍合金可用Fe(NO3)3、Ni(NO3)2、丁二酮肟、氨气、氮气、氢氧化钠、盐酸等物质在一定条件下反应制得。
(1)Fe3+的电子排布式是________________。
(2)N和NH3中氮原子的杂化方式为_________________。
(3)NH3的沸点高于PH3,其主要原因是 ____________。
(4)与N3-具有相同电子数的三原子分子的立体构型是________。
(5)向Ni(NO3)2溶液中滴加氨水,刚开始时生成绿色Ni(OH)2沉淀,当氨水过量时,沉淀会溶解,生成[Ni(NH3)6]2+蓝色溶液,则1 mol [Ni(NH3)6]2+ 含有的σ键为________mol。
(6)图1是丁二酮肟与镍形成的配合物,则分子内含有的作用力有________(填序号)。
A.氢键 B.离子键 C.共价键
D.金属键 E.配位键
组成该配合物分子且同属第2周期元素的电负性由大到小的顺序是______________。
(7)铁元素对应的单质在形成晶体时,采用如图2所示的堆积方式。则这种堆积模型的配位数为________,如果Fe的原子半径为a cm,阿伏加德罗常数的值为NA,则计算此单质的密度表达式为________g·cm-3(不必化简)。
【解析】(1)Fe为26号元素,则Fe3+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5。
(2)N为平面三角形,氮原子为sp2杂化;NH3为三角锥形,氮原子为sp3杂化。
(4)N3-电子数为10,与N3-具有相同电子数的三原子分子为H2O,分子的立体构型为V形。
(5)在[Ni(NH3)6]2+中,每个氮原子与3个氢原子形成σ键,同时还与镍原子形成配位键,也是σ键,因此1 mol [Ni(NH3)6]2+含有的σ键为4 mol×6=24 mol。
(6)根据图可知碳碳间、碳氮间为共价键,氮镍间为配位键,氧氢间为氢键;同一周期中,电负性随着原子序数的增大而增大,该物质中含有的第2周期非金属元素有O、N、C,其电负性强弱顺序为O>N>C。
(7)铁元素对应的单质在形成晶体时,采用如图2所示的堆积方式,则这种堆积模型为体心立方堆积,即在立方体的中心有一个铁原子,与这个铁原子距离最近的原子位于立方体的8个顶点,所以铁的配位数为8,每个立方体中含有的铁原子数为8×+1=2,如果Fe的原子半径为a cm,则立方体的边长为 cm,对应的体积为( cm)3,阿伏加德罗常数的值为NA,所以铁单质的密度表达式为 g·cm-3
答案:(1)1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5
(2)sp2、sp3
(3)NH3分子间存在氢键 (4)V形 (5)24
(6)A、C、E O>N>C (7)8
6.(18分)(2018·安庆模拟)有A、B、C、D、E五种原子序数增大的元素,只有一种为金属。A、B、C均为第二周期紧邻元素,其第一电离能顺序为B>C>A;B与D同主族;E为第4周期副族元素,其价层电子为全满。
(1)E元素的名称为________________,该元素基态原子的价电子排布式为__________。
(2)B与D分别与氢形成最简单氢化物沸点高低顺序为__________(用化学式表示);原因__________________。
(3)A、B、C三种元素分别与氢形成化合物中的M—M(M代表A、B、C)单键的键能如下表:
氢化物
HxA—AHx
HmB—BHm
HaC—CHa
键能(kJ·mol-1)
346
247
207
上述三种氢化物中,A、B、C元素原子的杂化方式有______种;请解释上表中三种氢化物M—M单键的键能依次下降的原因________。
(4)D与氯形成的化合物DCl5,加压条件下148 ℃液化,发生完全电离得到一种能够导电的熔体,测定D—Cl键长为198 pm和206 pm两种,该熔体中含有一种正四面体结构的阳离子,请写出该条件下DCl5电离的电离方程式__________ __________________;该熔体中阴离子的空间构型为__________。
(5)E与C形成的化合物晶体结构有四种,其中一种与金刚石类似,金刚石晶体结构如图所示,该晶体的化学式为__________(用元素符号表示);该晶胞的棱长为a pm 则该晶体的密度为__________g·cm-3。
【解析】E为第4周期副族元素,且价层电子为全满,因此推出E为Zn,五种元素只有一种元素是金属,E为锌,则A、B、C、D为非金属,B和D属于同主族,则D为第3周期,A、B、C为第2周期,第一电离能规律从左向右呈增大趋势,但ⅡA族大于ⅢA族,ⅤA族大于ⅥA族,三种元素的第一电离能顺序是B>C>A,三种元素原子序数增大,因此推出:A为C,B为N,C为O,D为P,(1)根据上述分析,E为锌,锌元素位于副族,锌原子的价电子包括最外层和次外层d能级,即3d104s2;(2)氢化物分别是NH3、PH3,两种氢化物都属于分子晶体,NH3中存在分子间氢键,PH3无分子间氢键,因此沸点:NH3>PH3;(3)根据表格可知,氢化物分别是CH3—CH3、
H2N—NH2、HO—OH,乙烷中C有4个σ键,无孤电子对,杂化类型为sp3,肼中N有3个σ键,1个孤电子对,杂化类型为sp3,H2O2中O有2个σ键,2个孤电子对,杂化类型为sp3,三者只有一种杂化类型,乙烷中的碳原子没有孤电子对,肼中的氮原子有1对孤电子对,过氧化氢中的氧原子有两对孤电子对,孤电子对数越多斥力越大,形成的化学键越不稳定,键能越小;(4)阳离子的立体构型为正四面体,说明P有4个σ键,无孤电子对,阳离子为PC,因此PCl5电离方程式为2PCl5PC+PC,PC中P有6个σ键,孤电子对数为=0,价层电子对数为=6,空间构型为正八面体;(5)锌原子位于顶点和面心,属于晶胞的个数为8×+6×=4,氧原子位于晶胞内,共有4个,即此化合物为ZnO,晶胞的质量为 g,晶胞的体积为(a×10-10)3 cm3,根据密度的定义,即密度为。
答案:(1)锌 3d104s2
(2)NH3>PH3 均为分子晶体,NH3分子间存在氢键
(3)1 乙烷中的碳原子没有孤电子对,肼中的氮原子有1对孤电子对,过氧化氢中的氧原子有两对孤电子对,孤电子对数越多斥力越大,形成的化学键越不稳定,键能越小
(4)2PCl5PC+PC 正八面体
(5)ZnO
【加固训练】
前四周期原子序数依次增大的元素A、B、C、D中,A和B的价电子层中未成对电子均只有1个,并且A-和B+的电子数相差为8;与B位于同一周期的C和D,它们价电子层中的未成对电子数分别为4和2,且原子序数相差为2。
回答下列问题:
(1)D2+的价层电子排布图为____________。
(2)四种元素中第一电离能最小的是________,电负性最大的是________(填元素符号)。
(3)A、B和D三种元素组成的一个化合物的晶胞如图所示。
①该化合物的化学式为____________;D的配位数为____________;
②列式计算该晶体的密度________g·cm-3。
(4)A-、B+和C3+三种离子组成的化合物B3CA6,其中化学键的类型有________;该化合物中存在一个复杂离子,该离子的化学式为__________________,配位体是________。
【解析】(1)本题考查电子排布图的书写,A和B的价电子层中未成对电子均只有1个电子,A和B位于第ⅠA族,或第ⅢA族元素或ⅦA族元素,A-和B+的电子数相差为8,推出A为F,B为K,与B位于同一周期的C和D,它们价电子层中的未成对电子数分别为4和2,且原子序数相差为2,则C为Fe,D为Ni,D2+为Ni2+,其价层电子排布图为;(2)第一电离能越小,说明越容易失去电子,即金属性强,第一电离能最小的是K,电负性最大,说明非金属性最强,即F的电负性最强;(3)考查晶胞、配位键等,①根据晶胞的结构,F位于棱上、晶胞内部和面上,因此F的个数为16×+4×+2=8,K位于棱上和内部,个数为8×+2=4,Ni位于顶点和内部,个数为8×+1=2,因此化学式为K2NiF4;由图可知Ni的配位数为6;
②晶胞的质量为1×(39×4+59×2+19×8)/NA g,晶胞的体积为400×400×1 308×10-30 cm3,因此晶胞的密度为=3.4 g·cm-3;(4)组成的化学式为K3FeF6,此化合物属于配合物,K+和Fe之间是离子键,Fe和F之间为配位键;该离子是[FeF6]3-,配体为F-。
答案:(1) (2)K F
(3)①K2NiF4 6
②=3.4
(4)离子键、配位键 [FeF6]3- F-
7.(15分)(能力挑战题)我们利用物质的结构与性质对周期表进行研究,有助于我们更好地掌握同类知识。
(1)基态砷原子中,价电子占用__________个原子轨道;雌黄分子式为As2S3,分子结构如图,则砷原子的杂化方式为__________。
(2)N2与CO互为等电子体,则1 mol CO分子中含有的π键数目是__________个。
(3)向CuSO4溶液中加入少量氨水生成蓝色沉淀,继续加入过量氨水沉淀溶解,得到深蓝色透明溶液,最后向该溶液中加入一定量乙醇,析出[Cu(NH3)4]SO4·H2O晶体;该晶体所含的非金属元素中,N、O、S第一电离能由大到小的顺序是__________(填元素符号),S的空间构型为__________,晶体中含有的化学键有__________________。
加入乙醇后析出[Cu(NH3)4]SO4·H2O晶体的原因是 __________________。
(4)常温下PCl5是一种白色晶体,其立方晶系晶体结构模型如下左图所示,由A、B两种微粒构成。 将其加热至148 ℃熔化,形成一种能导电的熔体。已知A微粒与CCl4具有相同的空间构型和相似的化学键特征,则A为__________, B为__________。
(5)磷化硼(BP)是一种超硬耐磨涂层材料,上右图为其立方晶胞。已知晶体中最近的硼原子和磷原子核间距为x cm,磷化硼的摩尔质量为b g·mol-1,阿伏加德罗常数为NA,则磷化硼晶体密度的表达式为__________g·cm-3。(列出计算式即可)
【解析】(1)基态砷原子中,价电子排布式为4s24p3,根据洪特规则,4p轨道的3个电子要分占不同的轨道并且自旋状态相同,所以其价电子共占用4个原子轨道;由雌黄分子结构示意图可知,每个砷原子与3个硫原子形成3个σ键,由于其价电子数是5个,所以该分子中砷原子有1个孤电子对,根据价层电子对互斥理论,中心原子的价电子对数为4,所以中心原子的杂化方式为sp3杂化。
(2)N2与CO互为等电子体,氮气分子中有三键,三键中有1个σ键、2个π键,等电子体之间结构相似,所以CO分子中也有2个π键,则1 mol CO分子中含有的π键数目是2NA(或2×6.02×1023)个。
(3)一般非金属性越强的元素的第一电离能也越大,但是每个周期的ⅡA族(s轨道全满)和ⅤA族(p轨道半充满)元素因其原子结构的特殊性,其第一电离能高于相邻元素,所以N、O、S第一电离能由大到小的顺序是N>O>S。S的中心原子价电子对数n==4,中心原子形成了4个σ键,所以其空间构型为正四面体。
[Cu(NH3)4]SO4·H2O晶体是一种配合物,其内界中心原子铜离子和配体氨分子之间形成配位键,氨分子内有极性键,外界硫酸根与内界之间形成离子键。加入乙醇后析出[Cu(NH3)4]SO4·H2O晶体的原因是乙醇分子极性比水分子极性弱,加入乙醇降低溶剂的极性,从而减小溶质的溶解度。
(4)A微粒与CCl4具有相同的空间构型和相似的化学键特征,所以A与四氯化碳是等电子体,则A为PC,由质量守恒和电荷守恒可知B为PC。
(5)该晶胞中含有4个硼原子和4个磷原子。如果把晶胞分成8个相同的小立方,则硼原子恰好可以位于其中4个小立方的体心,设晶胞的边长为2a,晶体中最近的硼原子和磷原子核间距为x cm,则x cm=a,所以a=x,1 mol该晶胞的体积为NA(2a)3=NA( cm)3,磷化硼的摩尔质量为b g·mol-1,则1 mol该晶胞中含BP 4 mol,其质量为4b g,所以磷化硼晶体密度的表达式为 g·cm-3。
答案:(1)4 sp3杂化
(2)2NA(或2×6.02×1023)
(3)N>O>S 正四面体 离子键、极性共价键和配位键
乙醇分子极性比水分子极性弱,加入乙醇降低溶剂的极性,从而减小溶质的溶解度
(4)PC PC (5)
晶体结构与性质
(45分钟 100分)
非选择题(本题包括7小题,共100分)
1.(16分)金属钛(22Ti)号称航空材料。回答下列问题:
(1)钛元素基态原子未成对电子数为__________个,能量最高的电子占据的能级符号为______________,
该能级所在能层具有的原子轨道数为____________。
(2)[Ti(OH)2(H2O)4]2+中的化学键有_______________________。
a.σ键 b.π键
c.离子键 d.配位键
(3)纳米TiO2是一种应用广泛的催化剂,纳米TiO2催化的一个实例如图所示。
化合物甲的分子中采取sp2杂化方式的碳原子个数为__________,化合物乙中采取sp3杂化的原子的第一电离能由小到大的顺序为__________。
(4)工业上制金属钛采用金属还原四氯化钛。先将TiO2(或天然的金红石)和足量炭粉混合加热至1 000～1 100 K,进行氯化处理,生成TiCl4。写出生成TiCl4的化学反应方程式:________________________________。
(5)有一种氮化钛晶体的晶胞如图所示,该晶体的化学式为__________,该晶体中与钛原子距离最近且相等的氮原子的个数为__________。已知晶体的密度为ρ g·cm-3,阿伏加德罗常数为NA,则晶胞边长为__________cm(用含ρ、NA的式子表示)。
【解析】(1)钛元素价电子排布式为3d24s2,基态原子价电子排布图为,可见钛元素基态原子未成对电子数为2个,能量最高的电子占据的能级符号为3d,该能级所在能层为M能层,有3s、3p、3d,分别含有原子轨道数目为1、3、5,具有的原子轨道数为9。
(2)OH-和H2O中H和O都是以σ键结合在一起,Ti4+提供空轨道,H2O和OH-提供孤电子对,形成配位键,即[Ti(OH)2(H2O)4]2+中的化学键只有σ键和配位键。
(3)采取sp2杂化的碳原子价层电子对数是3,该分子中碳原子价层电子对数为3的有:苯环上的碳原子、连接羰基的碳原子,所以一共有7个;采取sp3杂化的原子价层电子对数是4,价层电子对个数是4的原子有:连接甲基和羟基的碳原子、氧原子和氮原子,同一周期元素中,元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势,但第ⅤA族元素大于相邻元素,所以这三种元素第一电离能从小到大顺序是C
TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO;
(5)观察晶胞N位于立方体的顶点和面心位置,N数=8×+6×=4;Ti位于晶胞内,有4个,化学式可写为TiN;由晶胞图可知与Ti相连的N有四个,组成正四面体;晶胞质量为4×g,晶体的密度为ρ g·cm-3,则晶胞边长为=cm。
答案:(1)2 3d 9
(2)ad (3)7 C
(5) TiN 4
2.(15分)钾和碘的相关化合物在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用。回答下列问题:
(1)元素K的焰色反应呈紫红色,其中紫色对应的辐射波长为________nm(填标号)。
A.404.4 B. 553.5 C.589.2 D.670.8 E.766.5
(2)基态K原子中,核外电子占据最高能层的符号是________,占据该能层电子的电子云轮廓图形状为________。K和Cr属于同一周期,且核外最外层电子构型相同,但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低,原因是____________________。
(3)X射线衍射测定等发现,I3AsF6中存在离子。离子的几何构型为________,中心原子的杂化形式为________________。
(4)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料,具有钙钛矿型的立方结构,边长为a=0.446 nm,晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置,如图所示。K与O间的最短距离为________nm,与K紧邻的O个数为________。
(5)在KIO3晶胞结构的另一种表示中,I处于各顶角位置,则K处于________位置,O处于________位置。
【解析】(1)紫色光波长范围大约在380 nm到440 nm之间,故选A。
(2)基态K原子中,最外层电子排布为4s1,核外电子占据的最高能层为第四层,符号是N,占据该能层电子的电子云轮廓图形状为球形。K和Cr都属于金属晶体,Cr的价电子数多,半径小,金属键强,所以K的熔点、沸点等都比金属Cr低。(3)根据计算公式,的价层电子对数=(7+2×1-1)/2=4,结构如下:
[I——I]+,中心碘原子形成了两个σ键,有两对孤电子对,因此杂化方式为sp3,构型为V形。
(4)根据晶胞结构,位于顶角的K和位于相邻面心的O之间的距离最短,且刚好等于晶胞面对角线长度的一半,因此最短距离=a/2≈1.414×0.446/2≈0.315(nm)。求与K紧邻的O个数,即求顶角周围面心的个数,其实也就是面心立方密堆积的配位数为12。
(5)若将体心的位置设定为顶角,原本顶角的位置变成了体心,面心的位置变成了棱心。因此K位于体心位置,O位于棱心位置。
答案:(1)A
(2)N 球形 K原子半径较大且价电子数较少,金属键较弱
(3)V形 sp3
(4)0.315 12
(5)体心 棱心
3.(12分)地球表面十公里厚的地层中,含钛元素达千分之六,比铜多61倍,金属钛(Ti)被誉为21世纪金属,其单质和化合物具有广泛的应用价值。氮化钛(Ti3N4)为金黄色晶体,由于具有令人满意的仿金效果,越来越多地成为黄金的代替品。以TiCl4为原料,经过一系列反应可以制得Ti3N4和纳米TiO2(如下图)。
图中的M是短周期金属元素,M的部分电离能如下表:
I1
I2
I3
I4
I5
电离能/
(kJ·mol-1)
738
1 451
7 733
10 540
13 630
请回答下列问题:
(1)TiO2为离子晶体,已知晶体中阳离子的配位数为6,阴离子的配位数为3,则阳离子的电子排布式为__________。
(2)金属Ti与金属M的晶体原子堆积模型相同,其堆积模型为__________(填写堆积模型名称),晶体中原子在二维平面里的配位数为______________。
(3)室温下TiCl4为无色液体,沸点为136.4 ℃,由此可知其晶体类型为__________,构成该晶体的粒子的空间构型为__________。
(4)有一种氮化钛晶体的晶胞与NaCl晶胞相似,如图所示,已知该氮化钛的密度为ρ g·cm-3,则该晶胞中N、Ti之间的最近距离为__________pm(NA为阿伏加德常数的数值,只列算式)。该晶体中与钛原子距离相等且最近的钛原子有__________个。
(5)科学家通过X射线探明KCl、MgO、CaO、TiN的晶体与NaCl的晶体结构相似。且知三种离子晶体的晶格能数据如下:
离子晶体
NaCl
KCl
CaO
晶格能/(kJ·mol-1)
786
715
3 401
KCl、CaO、TiN三种离子晶体硬度由低到高的顺序为__________。
【解析】(1)Ti是阳离子,Ti是22号元素,因此Ti4+的电子排布式为1s22s22p63s23p6。(2)根据金属M的电离能,在第二电离能到第三电离能发生突变,说明最外层有2个电子,M是短周期金属元素,根据部分电离能,推出是Mg,金属Ti与Mg的晶体原子堆积模型相同,因此堆积模型为六方最密堆积,二维平面里的配位数为6。(3)TiCl4为无色液体,且沸点较低,符合分子晶体的特点,因此TiCl4属于分子晶体,空间构型为正四面体。(4)根据晶胞的结构,最近N和Ti的位置是棱长的一半,设棱长为a pm,晶胞中Ti位于棱上和体心,个数为12×+1=4,N位于面心和顶点,个数为8×+6×=4,化学式为TiN,晶胞的质量为 g,根据密度的定义求Ti和N的最近距离是×1010,根据晶胞的结构,距离Ti最近的Ti上面有四个,同一平面的有4个,下面有4个,共有12个。(5)晶格能越大,硬度越大,晶格能与阴阳离子所带电荷数以及阴阳离子的半径有关,所带电荷数越多,半径越小,晶格能越大,硬度越大,即KCl
(2)六方最密堆积 6
(3)分子晶体 正四面体
(4)×1010 12
(5)KCl
(1)B的单质晶体为体心立方堆积模型,其配位数为__________;E元素的最高价氧化物分子的立体构型是______________。F元素原子的核外电子排布式是______________,G的高价离子与A的简单氢化物形成的配离子的化学式为______________。
(2)试比较B、D分别与F形成的化合物的熔点高低并说明理由__________。
(3)A、G形成某种化合物的晶胞结构如图所示。若阿伏加德罗常数为NA,该化合物晶体的密度为a g·cm-3,其晶胞的边长为__________cm。
(4)在1.01×105 Pa、t1 ℃时,气体摩尔体积为53.4 L·mol-1,实验测得Q的气态密度为5.00 g·L-1,则此时Q的组成为(写化学式)__________。
【解析】A、B、C、D、E、F、G七种元素的核电荷数依次增大,属于元素周期表中前四周期的元素。其中A原子在基态时p轨道半充满且电负性是同族元素中最大的,因此A是N。D、E原子核外的M层中均有两个未成对电子,则D的M层为3s23p2,是Si。E的M层为3s23p4,是S。B、E两元素组成化合物B2E的晶体为离子晶体,所以B为ⅠA族的金属,B应该是钠元素。G原子核外最外层电子数与B相同,其余各层均充满,且G的原子序数最大,因此G是铜。C、F的原子均有三个能层,因此C、F在第3周期。C的逐级电离能前三个数据接近,第四电离能突变,所以易失去三个电子,为第ⅢA族元素,C是铝。C与F能形成原子数目比为1∶3、熔点为190 ℃的化合物Q ,说明F为-1价,即F为氯元素。
(1)金属钠的单质晶体为体心立方堆积模型,其配位数为8;E元素的最高价氧化物分子是三氧化硫,其中心原子硫原子含有的孤电子对数=(6-3×2)÷2=0,所以三氧化硫分子的立体构型是平面三角形。根据构造原理可知,氯元素原子的核外电子排布式是1s22s22p63s23p5;G的高价离子Cu2+与A的简单氢化物NH3形成的配离子的化学式为[Cu(NH3)4]2+。
(2)B、D与F形成的化合物分别是氯化钠和四氯化硅。因为NaCl是离子晶体,SiCl4是分子晶体,所以NaCl的熔点高于SiCl4。
(3)根据晶胞的结构可知,氮原子在顶点,含有的个数=8×=1。铜在棱边,含有的个数=12×=3,即化学式为Cu3N。设边长为x cm,则×NA=1,解得x=。
(4)根据M=ρ×Vm=5.00 g·L-1×53.4 L·mol-1=267,是AlCl3相对分子质量的267÷133.5=2倍,所以其化学式为Al2Cl6。
答案:(1)8 平面三角形 1s22s22p63s23p5
[Cu(NH3)4]2+
(2)NaCl的熔点高于SiCl4,因为NaCl是离子晶体,SiCl4是分子晶体
(3) (4)Al2Cl6
5.(14分)磁性材料氮化铁镍合金可用Fe(NO3)3、Ni(NO3)2、丁二酮肟、氨气、氮气、氢氧化钠、盐酸等物质在一定条件下反应制得。
(1)Fe3+的电子排布式是________________。
(2)N和NH3中氮原子的杂化方式为_________________。
(3)NH3的沸点高于PH3,其主要原因是 ____________。
(4)与N3-具有相同电子数的三原子分子的立体构型是________。
(5)向Ni(NO3)2溶液中滴加氨水,刚开始时生成绿色Ni(OH)2沉淀,当氨水过量时,沉淀会溶解,生成[Ni(NH3)6]2+蓝色溶液,则1 mol [Ni(NH3)6]2+ 含有的σ键为________mol。
(6)图1是丁二酮肟与镍形成的配合物,则分子内含有的作用力有________(填序号)。
A.氢键 B.离子键 C.共价键
D.金属键 E.配位键
组成该配合物分子且同属第2周期元素的电负性由大到小的顺序是______________。
(7)铁元素对应的单质在形成晶体时,采用如图2所示的堆积方式。则这种堆积模型的配位数为________,如果Fe的原子半径为a cm,阿伏加德罗常数的值为NA,则计算此单质的密度表达式为________g·cm-3(不必化简)。
【解析】(1)Fe为26号元素,则Fe3+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5。
(2)N为平面三角形,氮原子为sp2杂化;NH3为三角锥形,氮原子为sp3杂化。
(4)N3-电子数为10,与N3-具有相同电子数的三原子分子为H2O,分子的立体构型为V形。
(5)在[Ni(NH3)6]2+中,每个氮原子与3个氢原子形成σ键,同时还与镍原子形成配位键,也是σ键,因此1 mol [Ni(NH3)6]2+含有的σ键为4 mol×6=24 mol。
(6)根据图可知碳碳间、碳氮间为共价键,氮镍间为配位键,氧氢间为氢键;同一周期中,电负性随着原子序数的增大而增大,该物质中含有的第2周期非金属元素有O、N、C,其电负性强弱顺序为O>N>C。
(7)铁元素对应的单质在形成晶体时,采用如图2所示的堆积方式,则这种堆积模型为体心立方堆积,即在立方体的中心有一个铁原子,与这个铁原子距离最近的原子位于立方体的8个顶点,所以铁的配位数为8,每个立方体中含有的铁原子数为8×+1=2,如果Fe的原子半径为a cm,则立方体的边长为 cm,对应的体积为( cm)3,阿伏加德罗常数的值为NA,所以铁单质的密度表达式为 g·cm-3
答案:(1)1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5
(2)sp2、sp3
(3)NH3分子间存在氢键 (4)V形 (5)24
(6)A、C、E O>N>C (7)8
6.(18分)(2018·安庆模拟)有A、B、C、D、E五种原子序数增大的元素,只有一种为金属。A、B、C均为第二周期紧邻元素,其第一电离能顺序为B>C>A;B与D同主族;E为第4周期副族元素,其价层电子为全满。
(1)E元素的名称为________________,该元素基态原子的价电子排布式为__________。
(2)B与D分别与氢形成最简单氢化物沸点高低顺序为__________(用化学式表示);原因__________________。
(3)A、B、C三种元素分别与氢形成化合物中的M—M(M代表A、B、C)单键的键能如下表:
氢化物
HxA—AHx
HmB—BHm
HaC—CHa
键能(kJ·mol-1)
346
247
207
上述三种氢化物中,A、B、C元素原子的杂化方式有______种;请解释上表中三种氢化物M—M单键的键能依次下降的原因________。
(4)D与氯形成的化合物DCl5,加压条件下148 ℃液化,发生完全电离得到一种能够导电的熔体,测定D—Cl键长为198 pm和206 pm两种,该熔体中含有一种正四面体结构的阳离子,请写出该条件下DCl5电离的电离方程式__________ __________________;该熔体中阴离子的空间构型为__________。
(5)E与C形成的化合物晶体结构有四种,其中一种与金刚石类似,金刚石晶体结构如图所示,该晶体的化学式为__________(用元素符号表示);该晶胞的棱长为a pm 则该晶体的密度为__________g·cm-3。
【解析】E为第4周期副族元素,且价层电子为全满,因此推出E为Zn,五种元素只有一种元素是金属,E为锌,则A、B、C、D为非金属,B和D属于同主族,则D为第3周期,A、B、C为第2周期,第一电离能规律从左向右呈增大趋势,但ⅡA族大于ⅢA族,ⅤA族大于ⅥA族,三种元素的第一电离能顺序是B>C>A,三种元素原子序数增大,因此推出:A为C,B为N,C为O,D为P,(1)根据上述分析,E为锌,锌元素位于副族,锌原子的价电子包括最外层和次外层d能级,即3d104s2;(2)氢化物分别是NH3、PH3,两种氢化物都属于分子晶体,NH3中存在分子间氢键,PH3无分子间氢键,因此沸点:NH3>PH3;(3)根据表格可知,氢化物分别是CH3—CH3、
H2N—NH2、HO—OH,乙烷中C有4个σ键,无孤电子对,杂化类型为sp3,肼中N有3个σ键,1个孤电子对,杂化类型为sp3,H2O2中O有2个σ键,2个孤电子对,杂化类型为sp3,三者只有一种杂化类型,乙烷中的碳原子没有孤电子对,肼中的氮原子有1对孤电子对,过氧化氢中的氧原子有两对孤电子对,孤电子对数越多斥力越大,形成的化学键越不稳定,键能越小;(4)阳离子的立体构型为正四面体,说明P有4个σ键,无孤电子对,阳离子为PC,因此PCl5电离方程式为2PCl5PC+PC,PC中P有6个σ键,孤电子对数为=0,价层电子对数为=6,空间构型为正八面体;(5)锌原子位于顶点和面心,属于晶胞的个数为8×+6×=4,氧原子位于晶胞内,共有4个,即此化合物为ZnO,晶胞的质量为 g,晶胞的体积为(a×10-10)3 cm3,根据密度的定义,即密度为。
答案:(1)锌 3d104s2
(2)NH3>PH3 均为分子晶体,NH3分子间存在氢键
(3)1 乙烷中的碳原子没有孤电子对,肼中的氮原子有1对孤电子对,过氧化氢中的氧原子有两对孤电子对,孤电子对数越多斥力越大,形成的化学键越不稳定,键能越小
(4)2PCl5PC+PC 正八面体
(5)ZnO
【加固训练】
前四周期原子序数依次增大的元素A、B、C、D中,A和B的价电子层中未成对电子均只有1个,并且A-和B+的电子数相差为8;与B位于同一周期的C和D,它们价电子层中的未成对电子数分别为4和2,且原子序数相差为2。
回答下列问题:
(1)D2+的价层电子排布图为____________。
(2)四种元素中第一电离能最小的是________,电负性最大的是________(填元素符号)。
(3)A、B和D三种元素组成的一个化合物的晶胞如图所示。
①该化合物的化学式为____________;D的配位数为____________;
②列式计算该晶体的密度________g·cm-3。
(4)A-、B+和C3+三种离子组成的化合物B3CA6,其中化学键的类型有________;该化合物中存在一个复杂离子,该离子的化学式为__________________,配位体是________。
【解析】(1)本题考查电子排布图的书写,A和B的价电子层中未成对电子均只有1个电子,A和B位于第ⅠA族,或第ⅢA族元素或ⅦA族元素,A-和B+的电子数相差为8,推出A为F,B为K,与B位于同一周期的C和D,它们价电子层中的未成对电子数分别为4和2,且原子序数相差为2,则C为Fe,D为Ni,D2+为Ni2+,其价层电子排布图为;(2)第一电离能越小,说明越容易失去电子,即金属性强,第一电离能最小的是K,电负性最大,说明非金属性最强,即F的电负性最强;(3)考查晶胞、配位键等,①根据晶胞的结构,F位于棱上、晶胞内部和面上,因此F的个数为16×+4×+2=8,K位于棱上和内部,个数为8×+2=4,Ni位于顶点和内部,个数为8×+1=2,因此化学式为K2NiF4;由图可知Ni的配位数为6;
②晶胞的质量为1×(39×4+59×2+19×8)/NA g,晶胞的体积为400×400×1 308×10-30 cm3,因此晶胞的密度为=3.4 g·cm-3;(4)组成的化学式为K3FeF6,此化合物属于配合物,K+和Fe之间是离子键,Fe和F之间为配位键;该离子是[FeF6]3-,配体为F-。
答案:(1) (2)K F
(3)①K2NiF4 6
②=3.4
(4)离子键、配位键 [FeF6]3- F-
7.(15分)(能力挑战题)我们利用物质的结构与性质对周期表进行研究,有助于我们更好地掌握同类知识。
(1)基态砷原子中,价电子占用__________个原子轨道;雌黄分子式为As2S3,分子结构如图,则砷原子的杂化方式为__________。
(2)N2与CO互为等电子体,则1 mol CO分子中含有的π键数目是__________个。
(3)向CuSO4溶液中加入少量氨水生成蓝色沉淀,继续加入过量氨水沉淀溶解,得到深蓝色透明溶液,最后向该溶液中加入一定量乙醇,析出[Cu(NH3)4]SO4·H2O晶体;该晶体所含的非金属元素中,N、O、S第一电离能由大到小的顺序是__________(填元素符号),S的空间构型为__________,晶体中含有的化学键有__________________。
加入乙醇后析出[Cu(NH3)4]SO4·H2O晶体的原因是 __________________。
(4)常温下PCl5是一种白色晶体,其立方晶系晶体结构模型如下左图所示,由A、B两种微粒构成。 将其加热至148 ℃熔化,形成一种能导电的熔体。已知A微粒与CCl4具有相同的空间构型和相似的化学键特征,则A为__________, B为__________。
(5)磷化硼(BP)是一种超硬耐磨涂层材料,上右图为其立方晶胞。已知晶体中最近的硼原子和磷原子核间距为x cm,磷化硼的摩尔质量为b g·mol-1,阿伏加德罗常数为NA,则磷化硼晶体密度的表达式为__________g·cm-3。(列出计算式即可)
【解析】(1)基态砷原子中,价电子排布式为4s24p3,根据洪特规则,4p轨道的3个电子要分占不同的轨道并且自旋状态相同,所以其价电子共占用4个原子轨道;由雌黄分子结构示意图可知,每个砷原子与3个硫原子形成3个σ键,由于其价电子数是5个,所以该分子中砷原子有1个孤电子对,根据价层电子对互斥理论,中心原子的价电子对数为4,所以中心原子的杂化方式为sp3杂化。
(2)N2与CO互为等电子体,氮气分子中有三键,三键中有1个σ键、2个π键,等电子体之间结构相似,所以CO分子中也有2个π键,则1 mol CO分子中含有的π键数目是2NA(或2×6.02×1023)个。
(3)一般非金属性越强的元素的第一电离能也越大,但是每个周期的ⅡA族(s轨道全满)和ⅤA族(p轨道半充满)元素因其原子结构的特殊性,其第一电离能高于相邻元素,所以N、O、S第一电离能由大到小的顺序是N>O>S。S的中心原子价电子对数n==4,中心原子形成了4个σ键,所以其空间构型为正四面体。
[Cu(NH3)4]SO4·H2O晶体是一种配合物,其内界中心原子铜离子和配体氨分子之间形成配位键,氨分子内有极性键,外界硫酸根与内界之间形成离子键。加入乙醇后析出[Cu(NH3)4]SO4·H2O晶体的原因是乙醇分子极性比水分子极性弱,加入乙醇降低溶剂的极性,从而减小溶质的溶解度。
(4)A微粒与CCl4具有相同的空间构型和相似的化学键特征,所以A与四氯化碳是等电子体,则A为PC,由质量守恒和电荷守恒可知B为PC。
(5)该晶胞中含有4个硼原子和4个磷原子。如果把晶胞分成8个相同的小立方,则硼原子恰好可以位于其中4个小立方的体心,设晶胞的边长为2a,晶体中最近的硼原子和磷原子核间距为x cm,则x cm=a,所以a=x,1 mol该晶胞的体积为NA(2a)3=NA( cm)3,磷化硼的摩尔质量为b g·mol-1,则1 mol该晶胞中含BP 4 mol,其质量为4b g,所以磷化硼晶体密度的表达式为 g·cm-3。
答案:(1)4 sp3杂化
(2)2NA(或2×6.02×1023)
(3)N>O>S 正四面体 离子键、极性共价键和配位键
乙醇分子极性比水分子极性弱,加入乙醇降低溶剂的极性,从而减小溶质的溶解度
(4)PC PC (5)
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