高中化学微项目 青蒿素分子的结构测定——晶体在分子结构测定中的应用达标测试

共价晶体　分子晶体　晶体结构的复杂性

　　　　　　　 (40分钟　70分)

一、选择题(本题包括7小题,每小题5分,共35分)

1.(2020·泰安高二检测)据报道:用激光可将置于铁石中的石墨靶上的碳原子“炸松”,再用一个射频电火花喷射出氮气,可使碳、氮原子结合成碳氮化合物的薄膜,该碳氮化合物的硬度比金刚石更坚硬,则下列分析正确的是              (　　)

A.该碳氮化合物呈片层状结构

B.该碳氮化合物呈立体网状结构

C.该碳氮化合物中C—N键长比金刚石的C—C键长长

D.相邻主族非金属元素形成的化合物的硬度比单质小

【解析】选B。由题意知,碳氮化合物的硬度比金刚石还大,说明该碳氮化合物为共价晶体,因此是立体网状结构,与金刚石相比,C原子半径大于N原子半径,所以C—N键长小于C—C键长。

2.下列物质呈固态时,一定属于分子晶体的是 (　　)

A.非金属单质　　　　　 B.非金属氧化物

C.含氧酸      D.金属氧化物

【解析】选C。要注意考虑一般规律与特例,非金属单质中金刚石、晶体硅、硼均为共价晶体,非金属氧化物中的二氧化硅为共价晶体,活泼金属氧化物为离子晶体,只有含氧酸为分子晶体。

3.(2020·常州高二检测)SiCl4的分子结构与CCl4相似,对其进行下列推测,不正确的是 (　　)

A.SiCl4晶体是分子晶体

B.常温、常压下SiCl4是气体

C.SiCl4的分子是由极性键形成的非极性分子

D.SiCl4的熔点高于CCl4

【解析】选B。由于SiCl4具有分子结构,所以属于分子晶体。影响分子晶体熔、沸点的因素是分子间作用力的大小,在SiCl4分子间、CCl4分子间只有范德华力,SiCl4的相对分子质量大于CCl4的相对分子质量,所以SiCl4的分子间作用力大,熔、沸点比CCl4高。在常温、常压下SiCl4是液体。CCl4的分子是正四面体结构,SiCl4与CCl4的结构相似,也是正四面体结构,是含极性键的非极性分子。

4.观察下列模型并结合有关信息判断,有关说法正确的是 (　　)

A.单质硼属于分子晶体,其结构单元B12中含有30个B—B键,含20个正三角形

B.SF6是由极性键构成的分子

C.固态硫S8属于共价晶体

D.NaCl晶体中每个Na+周围距离最近的Na+有6个

【解析】选B。A.单质硼属于共价晶体,根据结构单元,每个硼原子具有5×个共价键,即12个硼原子共有12×5×=30个共价键,含有三角形的数目是=20,故错误;B.共价键是S—F,不同元素形成共价键,因此属于极性共价键,SF6属于分子晶体,故正确;C.固态S8易溶于CS2,该晶体中存在的微粒是分子,因此S8属于分子晶体,故错误;D.根据NaCl晶胞,每个Na+周围距离最近的Na+有12个,故错误。

【补偿训练】

　　(2020·衡水高二检测)近年来,科学家合成了一系列具有独特化学特性的氢铝化合物(AlH3)n。已知,最简单的氢铝化合物的分子式为Al2H6,它的熔点为150 ℃,燃烧热极高。Al2H6球棍模型如图。下列有关说法肯定错误的是              (　　)

A.Al2H6在固态时所形成的晶体是分子晶体

B.氢铝化合物可能成为未来的储氢材料和火箭燃料

C.Al2H6在空气中完全燃烧,产物为氧化铝和水

D.Al2H6中含有离子键和极性共价键

【解析】选D。根据Al2H6分子的球棍模型可判断,该化合物形成的晶体属于分子晶体,含有的化学键是极性键,A正确,D不正确。由于燃烧热极高,所以B正确。根据Al2H6的组成元素可判断,其燃烧产物是氧化铝和水,C正确。

5.磷化硼是一种超硬耐磨涂层材料。如图为其晶体结构中最小的重复结构单元,其中的每个原子均满足8电子稳定结构。下列有关说法正确的是              (　　)

A.磷化硼晶体的化学式为BP,属于离子晶体

B.磷化硼晶体的熔点高,且熔融状态下能导电

C.磷化硼晶体中每个原子均形成4个共价键

D.磷化硼晶体结构微粒的空间堆积方式与氯化钠相同

【解析】选C。根据题意,磷化硼为超硬耐磨涂层材料,说明其晶体类型为共价晶体,熔融状态不导电,A项和B项错误;磷化硼原子间均为共价键,由图可以发现,每个原子均形成4个共价键,C正确;由磷化硼的晶体结构可以看出,它的配位数为4,而NaCl晶体的配位数为6,二者结构微粒的堆积方式明显不同,故D错误。

6. (2020·石家庄高二检测)中学教材上介绍的干冰晶体结构如图所示,每8个CO2构成立方体,且在6个面的中心又各占据1个CO2分子,在每个CO2周围距离a(其中a为立方体棱长)的CO2有              (　　)

A.4个　　　B.8个　　　C.12个　　　D.6个

【解析】选C。如图在每个顶点上的CO2周围距离a的CO2即为每个面心上的CO2分子,共有8×(3×)=12个。

7.根据如表数据,则与HClO3比,HClO具有的是 (　　)

A.更高的沸点

B.更强的酸性

C.Cl—O断裂放出的能量更少

D.更易放出原子氧

【解析】选D。 A.HClO与HClO3都是分子晶体,熔、沸点高低取决于分子间作用力强弱,与化学键强弱无关,故A错误;B.含氧酸酸性强弱取决于O—H键稳定性,与Cl—O键无关,故B错误;C.Cl—O断裂需要吸收热量,故C错误;D.依据表中数据可知与HClO3比,HClO中Cl—O键键长较长,键能较低,所以稳定性较差,更容易发生断裂,更易放出原子氧,故D正确。

二、非选择题(本题包括3小题,共35分)

8.(11分)氮化硅是一种高温陶瓷材料,它的硬度大、熔点高、化学性质稳定。

(1)氮化硅晶体属于________晶体。 

(2)下列物质熔化时,所克服的微粒间作用力与氮化硅熔化时所克服的微粒间作用力相同的是________(填编号)。 

①单质I2和金刚石　　　 ②晶体硅和二氧化硅

③冰和干冰     ④金刚石和碳化硅

(3)已知氮化硅的晶体结构中,原子间都以单键相连,且氮原子与氮原子、硅原子与硅原子不直接相连,同时每个原子都满足8电子稳定结构,请写出氮化硅的化学式:__________________。 

(4)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下,加强热发生反应,可得到较高纯度的氮化硅,反应的化学方程式为 ________________________。 

【解析】(1)这是一道信息题,从题给信息知氮化硅是一种高温陶瓷材料,它的硬度大、熔点高、化学性质稳定,应是共价晶体。(2)氮化硅熔化时所克服的微粒间作用力为共价键,所给的4组物质中,单质I2、冰和干冰都是分子晶体,只需破坏分子间作用力。(3)氮化硅的晶体结构中,原子间都以单键相连,且氮原子和氮原子、硅原子和硅原子不直接相连,同时每个原子都满足8电子稳定结构,因此氮化硅的化学式为Si3N4。

答案:(1)共价　(2)②④　(3)Si3N4

 (4)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl

9.(12分)现有两组物质的熔点数据如表所示:

根据表中数据回答下列问题:

(1)A组属于________晶体,其熔化时克服的粒子间的作用力是________。 

(2)B组中HF熔点反常是由于__。 

(3)B组晶体不可能具有的性质是________。 

①硬度小   ②水溶液能导电

③固体能导电 ④液体状态能导电

【解析】A组熔点很高,应是共价晶体,共价晶体熔化时破坏的是共价键。B组是分子晶体,且结构相似,一般是相对分子质量越大,熔点越高;HF的相对分子质量最小但熔点比HCl高,出现反常的原因是HF分子间存在氢键,HF晶体熔化时除了破坏范德华力,还要破坏氢键,所需能量更高,因而熔点更高。分子晶体在固态时和熔化状态时都不导电。

答案:(1)共价　共价键　(2)HF分子间能形成氢键,熔化时需要消耗的能量更多　(3)③④

10.(12分)(2020·武威高二检测)(1)Ge单晶具有金刚石型结构,其中Ge原子的杂化方式为____________,微粒之间存在的作用力是______________。 

(2)晶胞有两个基本要素:①原子坐标参数,表示晶胞内部各原子的相对位置。如图为Ge单晶的晶胞,其中原子坐标参数A为(0,0,0);B为(,0,),C为(,,0)。则D原子的坐标参数为___________________。 

②晶胞参数,描述晶胞的大小和形状。已知Ge单晶的晶胞参数a=565.76 pm,其密度为________g·cm-3(列出计算式即可)。 

已知:Ge的相对原子质量为73。

【解析】(1)类比金刚石,锗单晶是共价晶体,每个锗原子与其周围的4个锗原子形成4个单键,故锗原子采用sp3杂化,锗原子间以共价键(或非极性共价键)结合。(2)①对照晶胞图示及A、B、C点坐标,选A点为参照点,可知D在体对角线的处,运用比例关系可得D的坐标参数为(,,);②因为其晶胞类似金刚石晶胞,故其晶胞内含8个Ge原子,ρ==×107 g·cm-3。

答案:(1)sp3　共价键(或非极性共价键)

(2)①(,,)　②×107

　　　　　　　 (20分钟　30分)

一、选择题(本题包括1小题,共8分)

11.(双选)(2020·哈尔滨高二检测)氮化硼(BN)晶体有多种相结构。六方相氮化硼是通常存在的稳定相,与石墨相似,具有层状结构,可作高温润滑剂;立方相氮化硼是超硬材料,有优异的耐磨性。它们的晶体结构如图所示,下列关于这两种晶体的说法正确的是              (　　)

A.六方相氮化硼与石墨一样可以导电

B.立方相氮化硼只含有σ键,且为共价晶体,所以硬度大

C.两种晶体均为分子晶体

D.六方相氮化硼晶体层内一个硼原子与相邻氮原子构成的空间构型为平面三角形

【解析】选B、D。A项,六方相氮化硼晶体中没有可以自由移动的电子或离子,所以不导电,错误;立方相氮化硼中只含有σ键,立方相氮化硼是共价晶体,B项正确,C项错误;D项,由六方相氮化硼的晶体结构可知,每个硼原子与相邻3个氮原子构成平面三角形,正确。

二、非选择题(本题包括1小题,共22分)

12.(2020·济南高二检测)在我国南海300～500 m海底深处沉积物中存在着大量的“可燃冰”,其主要成分为甲烷水合物。

请回答下列问题:

(1)CH4的杂化方式为________。 

(2)水在不同的温度和压强条件下可以形成多种不同结构的晶体,冰晶体结构有多种。其中冰-Ⅶ的晶体结构如图所示。

①水分子的空间构型是________形,水分子能与H+形成配位键,其原因是在氧原子上有________,应用价电子对互斥理论推测H3O+的形状为________。 

②上述冰晶体中每个水分子与周围________个水分子以氢键结合,该晶体中1 mol水形成________mol氢键。 

③实验测得冰中氢键的作用能为18.5 kJ·mol-1,而冰的熔化热为5.0 kJ·mol-1,这说明________。 

④冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞(其晶胞结构如图,其中空心球所示原子位于立方体的顶点或面心,实心球所示原子位于立方体内)类似。每个冰晶胞平均占有________个水分子,冰晶胞与金刚石晶胞微粒排列方式相似的原因是__ __。 

(3)氨气极易溶于水的原因之一是与氢键有关。请判断:NH3溶于水后,形成的NH3·H2O的合理结构是________(填字母)。 

【解析】(1)甲烷采用sp3杂化。

(2)①水分子中O原子的价电子对数==4,孤电子对数为2,所以水分子为角形分子,H2O分子能与H+形成配位键,其原因是在O原子上有孤电子对,H+有空轨道。H3O+价电子对数=4,含有1对孤电子对,故H3O+为三角锥形。②观察图示晶体结构可知,该水分子与周围4个水分子以氢键结合,每2个水分子间形成1个氢键,故1 mol水可形成4 mol×0.5=2 mol氢键。③冰中氢键的作用能为18.5 kJ·mol-1,而冰熔化热为5.0 kJ·mol-1,说明冰变为液态水时只是破坏了一部分氢键,并且液态水中仍存在氢键。④每个冰晶胞平均含有水分子数为4+6×+8×=8。H2O分子中的O原子形成2个σ键,并含有2对孤电子对,金刚石中每个C原子含有4个σ键且没有孤电子对,所以水中的O和金刚石中的C都是sp3杂化,且水分子间的氢键具有方向性和饱和性,每个水分子只可以与相邻的4个水分子形成氢键,导致冰晶胞与金刚石晶胞微粒排列方式相似。

(3)由电离方程式NH3·H2ON+OH-,可知b图符合NH3·H2O的结构。

答案:(1)sp3　(2)①角　孤电子对　三角锥形

②4　2

③冰变为液态水时只是破坏了一部分氢键,液态水中仍存在氢键　④8　水中的O原子和金刚石中的C原子都为sp3杂化,每个水分子可与相邻的4个水分子形成氢键,且氢键和共价键都具有方向性和饱和性　(3)b

【补偿训练】

　　(2018·全国卷Ⅱ改编)硫及其化合物有许多用途,相关物质的物理常数如下表所示:

回答下列问题:

(1)基态Fe原子价层电子的电子排布图(轨道表达式)为_____________。 

(2)根据价层电子对互斥理论,H2S、SO2、SO3的气态分子中,中心原子价层电子对数不同于其他分子的是____________________________。 

(3)图(a)为S8的结构,其熔点和沸点要比二氧化硫的熔点和沸点高很多,主要原因为______________________。 

(4)气态三氧化硫以单分子形式存在,其分子的立体构型为________形,其中共价键的类型有________种;固体三氧化硫中存在如图(b)所示的三聚分子,该分子中S原子的杂化轨道类型为________。 

(5)FeS2晶体的晶胞如图(c)所示。晶胞边长为a nm、FeS2相对式量为M,阿伏加德罗常数的值为NA,其晶体密度的计算表达式为________g·cm-3;晶胞中Fe2+位于所形成的正八面体的体心,该正八面体的边长为________nm。 

【解析】(1)铁元素为26号元素,基态铁原子的价层电子排布式为3d64s2,因此其价层电子排布图为。

(2)根据价层电子对互斥理论,H2S、SO2、SO3的σ键电子对数分别为2、2、3,其中心原子上的孤电子对数分别为×(6-2×1)=2,×(6-2×2)=1,×(6-3×2)=0,故三者中心原子价层电子对数分别为2+2=4,2+1=3,3+0=3,因此中心原子价层电子数不同于其他分子的是H2S。

(3)S8与SO2均为分子晶体,而S8相对分子质量大,因此分子间范德华力强,所以其熔沸点比SO2高。

(4)根据价层电子对互斥理论,SO3中心原子价层电子对数为3,孤电子对数为0,因此分子为平面三角形。分子中存在σ键和π键,其中π键为大π键。根据图(b)可以得出固体三氧化硫中SO4原子团,为四面体构型,因此S原子的杂化轨道类型为sp3。

(5)FeS2晶体的晶胞中Fe2+位于立方体的棱上和体心,因此一个晶胞中含有Fe2+为12×+1=4(个),含有为6×+8×=4(个),因此一个晶胞中含有4个FeS2,因此晶体的密度为ρ== g·cm-3=×1021 g·cm-3。形成正八面体,其中四个形成的正方形的对角线即为晶胞的边长a nm,若正八面体的边长为x,则x=a nm,因此x= nm= nm。

答案: (1)　(2)H2S

(3)S8相对分子质量大,分子间范德华力强

(4)平面三角　2　sp3

(5)×1021　a