2020-2021学年第2节 共价键与分子的空间结构第2课时测试题

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5小题,每小题10分,共50分)

1.(双选)石墨晶体为层状结构,每一层均为碳原子与周围其他3个碳原子相结合而成的平面片层,同层相邻碳原子间距为142 pm、相邻片层间距为335 pm。如图是其晶体结构片层俯视图。下列说法不正确的是(　　)

A.石墨中含有共价键、范德华力、金属键、离子键等多种作用力,所以是混合型晶体

B.每个碳原子形成3个σ键,碳原子是sp2杂化

C.碳原子数与σ键键数之比为2∶3

D.片层之间的碳形成共价键,所以熔点很高

【解析】选A、D。石墨是混合型晶体,但不含有离子键,故A错误;每个碳原子形成3个σ键,采取sp2杂化,故B正确;每个碳原子平均含有×3=个σ键,所以碳原子数与σ键键数之比为2∶3,故C正确;石墨片层之间的碳以范德华力结合而不是共价键,故D错误。

2.(双选) (2020·菏泽高二检测)观察下列模型并结合有关信息进行判断,下列说法错误的是(　　)

A.HCN的结构式为HCN,分子中含有1个σ键和2个π键

B.固态硫S8属于共价晶体

C.SF6是由极性键构成的非极性分子

D.单质硼属共价晶体,结构单元中含有30个B—B键

【解析】选A、B。“C≡N”键中含有1个σ键和2个π键,A项不正确;S8属于分子晶体,B项不正确;SF6是正八面体对称结构,是非极性分子,C项正确;硼晶体的结构单元中有12个B原子,每个原子形成5个B—B键,而每个B—B键为2个原子所共有,所以B—B键数为12×5/2=30个,D项正确。

3.(2020·潍坊高二检测)美国《科学》杂志曾报道:在40 GPa的高压下,用激光加热到1 800 K,人们成功制得了共价晶体CO2,下列对该物质的推断一定不正确的是(　　)

A.该共价晶体中含有极性键

B.该共价晶体易气化,可用作制冷材料

C.该共价晶体有很高的熔点

D.该共价晶体硬度大,可用作耐磨材料

【解析】选B。CO2由固态时形成的分子晶体变为共价晶体,其成键情况也发生了变化,但化学键依然为极性共价键,故A正确。CO2共价晶体具有高硬度、高熔点等特点,故C、D选项正确,B项错误。

4.(2020·铜陵高二检测)AB型的化学式形成的晶体结构情况多种多样。下列图示的几种结构中最有可能是分子晶体的是(　　)

A.①③  B.②⑤  C.⑤⑥  D.③④⑤⑥

【解析】选B。分子晶体中不存在共用,从各图中可以看出②⑤不存在共用现象,所以最有可能是分子晶体。

5.(双选)水分子间可通过一种叫“氢键”的作用(作用力介于化学键与范德华力大小之间)彼此结合而形成(H2O)n,在冰中n值为5。即每个水分子被其他4个水分子包围形成变形四面体,如图所示为(H2O)5单元,由无限个这样的四面体通过氢键构成一个庞大的分子晶体,即冰。下列有关叙述正确的是(　　)

A.1 mol冰中含有2 mol氢键

B.冰晶体中每个水分子与另外四个水分子形成四面体

C.冰晶体具有空间网状结构,是共价晶体

D.水分子间通过H—O键形成冰晶体

【解析】选A、B。由图可知,每个水分子(处于四面体的中心)与4个水分子(处于四面体的四个顶点)形成四个氢键,因为每个氢键都是由2个水分子共同形成的,所以每个水分子形成的氢键数为4×=2;冰中的水分子是靠氢键结合在一起,氢键不是化学键,而是一种分子间作用力,故C、D两项均错误;H2O分子形成氢键时沿O的四个sp3杂化轨道形成氢键,可以与4个水分子形成氢键,这4个水分子形成空间四面体构型,B项正确。

二、非选择题(本题包括1小题,共20分)

6.(2020·广州高二检测)决定物质性质的重要因素是物质结构。请回答下列问题:

(1)如图是石墨的结构,其晶体中存在的作用力有______________(填字母)。 

A.σ键　B.π键　C.氢键　D.配位键　E.范德华力　F.金属键　G.离子键

(2)碳纳米管由单层或多层石墨层卷曲而成,其结构类似于石墨晶体,每个碳原子通过________________杂化与周围碳原子成键,多层碳纳米管的层与层之间靠________________结合在一起。 

(3)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。

①关于这两种晶体的说法正确的是________________(填字母)。 

a.立方相氮化硼含有σ键和π键,所以硬度大

b.六方相氮化硼层间作用力小,所以质地软

c.两种晶体中的B—N键均为共价键

d.两种晶体均为分子晶体

②六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________________,其结构与石墨相似却不导电,原因是______。 

③NH4BF4(氟硼酸铵)是合成氮化硼纳米管的原料之一。1 mol NH4BF4含有__________mol配位键。 

(4)如图所示是某无机化合物的二聚分子,该分子中A、B两种元素都是第三周期的元素,分子中所有原子的最外层电子都达到8电子稳定结构;下列说法不正确的是____________。 

A.该化合物的分子式可能是Al2Cl6

B.该化合物是离子化合物,在熔融状态下能导电

C.该化合物在固态时所形成的晶体是分子晶体

D.该化合物中既有离子键,又含有非极性共价键

【解析】(1)石墨晶体是介于共价晶体、金属晶体、分子晶体之间的一种特殊晶体,含有金属键,层与层之间存在范德华力,层内存在共价键。在石墨晶体中同层的每一个碳原子与相邻的三个碳原子以σ键结合;每个碳原子有一个未参与杂化的2p电子,它的原子轨道垂直于碳原子平面,形成了大π键,因此石墨晶体中既存在σ键又存在π键。(3)①立方相氮化硼晶体的硬度大小与是否含有σ键和π键无关,与晶体的结构有关,即立方相氮化硼晶体为共价晶体,硬度较大,a错误;六方相氮化硼晶体与石墨晶体相似,根据石墨晶体可知其层和层之间是靠范德华力结合的,故其作用力小,质地较软,b正确;B和N都是非金属元素,两种晶体中的B—N键都是共价键,c正确;六方相氮化硼晶体与石墨晶体相似,属于混合型晶体,立方相氮化硼晶体为共价晶体,d错误。②六方相氮化硼晶体与石墨晶体相似,同一层上的原子在同一平面内,根据六方相氮化硼晶体的晶胞结构可知,1个B原子与3个N原子相连,故为平面三角形结构;由于B最外层有3个电子都参与了成键,层与层之间没有自由移动的电子,故不导电。③N中有1个配位键,B中有1个配位键,故1 mol NH4BF4含有2 mol配位键。

(4) 将二聚分子变成单分子,得BA3,根据两种元素都处于第三周期,可知BA3可能是PCl3或AlCl3,而在PCl3中所有原子已达稳定结构,不可能形成二聚分子,故只可能是AlCl3,则该化合物的分子式是Al2Cl6,故A正确;该化合物是无机化合物的二聚分子,属于共价化合物,不存在离子键,只有极性共价键,在熔融状态下不能导电,固态时形成的晶体是分子晶体,故B、D错误,C正确。

答案:(1)ABEF　(2)sp2　范德华力　(3)①bc　②平面三角形　层状结构中没有自由移动的电子　③2　(4)BD

【补偿训练】

　　(2020·泉州高二检测)有E、Q、T、X、Z五种前四周期元素,原子序数E<Q<T<X<Z。E、Q、T三种元素的基态原子具有相同的能层和能级,且I1(E)<I2(T)<I1(Q),其中基态Q原子的2p轨道处于半充满状态,且Q与ET2互为等电子体。X为周期表前四周期中电负性最小的元素,Z的原子序数为28。请回答下列问题(答题时如需表示具体元素,请用相应的元素符号):

(1)写出Q的电子式__________________,基态Z原子的核外电子排布式为______________。 

(2)Q的简单氢化物极易溶于T的简单氢化物,其主要原因有_______等两种。 

(3)化合物甲由T、X两元素组成,其晶胞如图,则甲的化学式为____________

______________。 

(4)化合物乙的晶胞如图,乙由E、Q两元素组成,硬度超过金刚石。

①乙的晶体类型为________,其硬度超过金刚石的原因是__________。 

②乙的晶体中E、Q两种元素原子的杂化方式均为________。 

【解析】由题意知,E、Q、T、X、Z五种元素分别为C、N、O、K、Ni。(1)CO2、N为等电子体,电子式相似,故N的电子式为,基态Ni原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d84s2。(2)Q的简单氢化物NH3极易溶于T的简单氢化物H2O,其主要原因有这两种氢化物均为极性分子、分子之间能形成氢键。(3)由化合物甲的晶胞可知,甲的化学式为KO2。(4)①由化合物乙的晶胞可知,乙的化学式为C3N4,属于共价晶体,其硬度超过金刚石的原因是C—N键的键长小于C—C键,键能大于C—C键。②C3N4晶体中C、N两种元素原子的杂化方式均为sp3。

答案: (1)

1s22s22p63s23p63d84s2

(2)这两种氢化物均为极性分子、相互之间能形成氢键

(3)KO2

(4)①共价晶体　C—N键的键长小于C—C键,键能大于C—C键　②sp3

(20分钟　30分)

一、选择题(本题包括2小题,每小题5分,共10分)

7.(双选)氮化碳部分结构如图所示,其中β-氮化碳的硬度超过金刚石晶体,成为首屈一指的超硬新材料。下列有关氮化碳的说法错误的是(　　)

A.β-氮化碳属于共价晶体,其化学键比金刚石的更稳定

B.氮化碳晶体的熔点比金刚石高,但比氮气的熔点低

C.β-氮化碳的化学式为C3N4,其中氮显-3价,碳显+4价

D.该晶体与金刚石结构相似,都是原子间以非极性键形成的空间网状结构

【解析】选B、D。A项中,N原子半径小于C原子,键长:C—N键<C—C键,故C—N键比C—C键更稳定,正确;B项中,氮化碳晶体的熔点比金刚石高,二者属于共价晶体,比分子晶体氮气的高,错误;C项中,晶体结构图中虚线部分是晶体的最小结构单元,正方形顶点的C原子被4个正方形所共有,边上的C原子被2个正方形所共有,故实际含有的C原子数为4×+4×=3,N原子数为4,化学式为C3N4,因为N元素的电负性比C元素的大,故N显负价(-3),C显正价(+4),正确;D项中,金刚石晶体中只含C—C非极性键,C3N4晶体中只含C—N极性键,错误。

8.(2020·武汉高二检测)通常情况下,氯化钠、氯化铯、二氧化碳和二氧化硅的晶体结构分别如图所示:

下列关于这些晶体结构和性质的叙述不正确的是(　　)

A.同一主族的元素与另一相同元素所形成的化学式相似的物质不一定具有相同的晶体结构

B.氯化钠、氯化铯和二氧化碳的晶体都有立方的晶胞结构,它们具有相似的物理性质

C.二氧化碳晶体是分子晶体,其中不仅存在分子间作用力,而且也存在共价键

D.二氧化硅晶体不是密堆积结构

【解析】选B。SiO2和CO2的化学式相似,但其晶体结构不同,A项正确;二氧化碳为分子晶体,因此分子间存在分子间作用力,而分子内部碳原子和氧原子间形成共价键,氯化钠和氯化铯为离子晶体,所以三者物理性质不同,B项不正确,C项正确;由于共价键具有方向性和饱和性,由此形成的晶体不是密堆积结构,D项正确。

二、非选择题(本题包括1小题,共20分)

9.(2020·福州高二检测)“可燃冰”,其主要成分为甲烷水合物。在常温、常压下它会分解成水和甲烷,因而得名。请回答下列问题:

(1)甲烷晶体的晶胞结构如图所示,下列说法正确的是________(填字母)。 

A.甲烷晶胞中的球只代表一个C原子

B.晶体中1个CH4分子中有12个紧邻的CH4分子

C.CH4熔化时需克服共价键

D.1个CH4晶胞中含有8个CH4分子

E.CH4是非极性分子

(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晶体结构如图所示。

①水分子的立体结构是________________形,在酸性溶液中,水分子容易得到一个H+,形成水合氢离子(H3O+),水分子能与H+形成配位键,其原因是在氧原子上有________________,应用价层电子对互斥理论(或模型)推测H3O+的形状为________________。 

②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__________________。 

(3)用x、y、z分别表示H2O、H2S、H2Se的沸点(℃),则x、y、z的大小关系是________________,其判断依据是______________。 

【解析】(1)CH4是分子晶体,熔化时克服范德华力。晶胞中的球体代表的是一个甲烷分子,并不是一个C原子。以该甲烷晶胞分析,位于顶点的某一个甲烷分子与其距离最近的甲烷分子有3个而这3个甲烷分子在面上,因此每个都被共用2次,故与1个甲烷分子紧邻的甲烷分子有3×8×=12(个)。甲烷晶胞属于面心立方晶胞,该晶胞中甲烷分子的个数为8×+6×=4(个)。CH4分子为正四面体结构,C原子位于正四面体的中心,结构对称,CH4是非极性分子。

(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V形,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,说明冰融化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。

(3)水分子间存在氢键,H2Se与H2S分子间不存在氢键,但H2Se的相对分子质量大于H2S的相对分子质量,H2Se分子间范德华力大于H2S分子间范德华力。

答案:(1)BE　(2)①V　孤电子对　三角锥形　②冰融化为液态水时只破坏了一部分氢键,液态水中仍存在氢键　(3)x>z>y　水分子间可以形成氢键,H2Se的相对分子质量大于H2S,故有沸点:H2O>H2Se>H2S

【补偿训练】

　　(2020·泰安高二检测)N与B、Al、Ga均可以形成晶体,回答下列问题。

(1)氮化硼(BN)是一种重要的功能陶瓷材料。以天然硼砂为起始物,经过一系列反应可以得到BF3和BN。

①基态B原子的电子排布式为________________,B和N相比,电负性较大的是________________,BN中B元素的化合价为________________。 

②在BF3分子中,F—B—F的键角是________________, 

B原子的杂化轨道类型为________________,BF3和过量NaF作用可生成NaBF4,B的立体构型为________________。 

(2)Al2O3在一定条件下可制得AlN,其晶体结构如图所示,该晶体中Al的配位数是________。 

(3)如图是氮化镓的晶胞模型:

氮化镓中镓原子的杂化方式为________________,氮原子的配位数为______________。 

【解析】(1)①B原子的原子序数为5,所以基态B原子的电子排布式为1s22s22p1;B和N都属于第二周期,同周期自左向右电负性逐渐增大,所以B和N相比,电负性较大的是N,B最外层有3个电子,所以化合价是+3。②依据价层电子对互斥理论可计算出中心原子的孤电子对数=(a-xb)=×(3-3×1)=0,所以BF3分子为平面三角形结构,F—B—F的键角是120°,杂化轨道类型为sp2;在B中中心原子的孤电子对数=(a-xb)=×(3+1-4×1)=0,所以B的结构为正四面体。

(2)Al原子的配位数是指1个Al原子周围邻近的N原子个数,由图示可知,Al的配位数为4。

(3)每个镓与4个N形成共价键,这四个N构成正四面体结构;每个N与4个Ga形成共价键,这四个Ga构成正四面体结构,所以氮化镓中镓原子的杂化方式为sp3杂化。氮原子的配位数为4。

答案:(1)①1s22s22p1　N　+3　②120°　sp2　正四面体形　(2)4　(3)sp3　4