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高考化学一轮复习课时分层提升练四十2分子结构与性质（含解析）
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这是一份高考化学一轮复习课时分层提升练四十2分子结构与性质（含解析），共15页。试卷主要包含了5 ℃,沸点为83等内容，欢迎下载使用。
分子结构与性质
1.(2019·开封模拟节选)第四周期有18种元素,其相关化合物在化工、医药、材料等领域均有着广泛的应用。请回答下列问题:
(1)基态钙原子核外电子云形状为________,电子占据的最高能层符号是________。
(2)五氧化二钒(V2O5)是硫酸工业中重要的催化剂,基态钒原子的价电子排布式为____________________。
(3)琥珀酸亚铁片是用于缺铁性贫血的预防和治疗的常见药物,其中“亚铁”是关键成分, K3[Fe(CN)6]溶液是检验Fe2+的试剂,1 mol CN-中含π键的数目为________,临床建议服用维生素C促进“亚铁”的吸收,避免生成Fe3+,从结构角度来看,Fe2+易被氧化成Fe3+的原因是______________________。
(4)镓、锗、砷、硒的第一电离能由大到小的顺序为____________________(用元素符号表示);其中锗的化合物四氯化锗可用作光导纤维掺杂剂,其熔点为-49.5 ℃,沸点为83.1 ℃,则其晶体类型为________,中心原子的杂化类型为________;砷酸酸性弱于硒酸,从分子结构的角度解释原因_____________ _________________。
【解析】(1)基态钙原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p64s2,由于s、p两个能级的电子云形状分别为球形和哑铃形,所以基态钙原子核外电子云形状为球形和哑铃形;电子占据的最高能层是第四层,符号是N。
(2)钒的原子序数为23,所以其基态的价电子排布式为3d34s2。
(3)在CN-内部有一个σ,两个π键,所以1 mol CN-中含π键的数目为2NA;Fe2+的价电子排布式为3d6,Fe3+的价电子排布式为3d5,3d5是半充满状态,比较稳定,所以Fe2+易被氧化成Fe3+。
(4)同周期主族元素的第一电离能从左到右是依次增大的,但其中ⅡA和ⅢA,以及ⅤA和ⅥA之间存在有全满和半满的情况,所以有反常现象,因此镓、锗、砷、硒的第一电离能由大到小的顺序为As>Se>Ge>Ga;四氯化锗的熔沸点都很低,所以其晶体为分子晶体;中心原子即Ge的杂化类型为sp3,可以和四个氯原子形成四个等价的共价键;砷酸的分子式为H3AsO4,而硒酸的分子式为H2SeO4,所以在分子结构上,砷酸分子中的非羟基氧原子数少于硒酸的,所以砷酸酸性弱于硒酸。
答案:(1)球形和哑铃形 N (2)3d34s2 (3)2NA Fe3+的3d5半满状态更稳定
(4)As>Se>Ge>Ga 分子晶体 sp3 硒酸中非羟基氧原子较多(或其他合理解释)
【加固训练】
(2019·哈尔滨模拟)已知A、B、C、D、E、F都是周期表中前四周期的元素,它们的核电荷数A
(2)B的氯化物的熔点比D的氯化物的熔点________(填“高”或“低”),理由是__________。
(3)A的氢化物分子中的中心原子采取________杂化,E的低价氧化物分子的空间构型是____________。
(4)F的核外电子排布式是____________,F的高价离子与A的简单氢化物形成的配离子的化学式为________,颜色为____________。
(5)A、F形成某种化合物的晶胞结构如图所示(其中A显-3价),则其化学式为________(每个球均表示1个原子)。
(6)A、C形成的化合物具有高沸点和高硬度,是一种新型无机非金属材料,则其化学式为____________,其晶体中所含的化学键类型为____________。
【解析】根据题意,C元素是地壳中含量最高的金属元素,则C为铝元素;A原子核外有三个未成对电子,原子序数小于铝元素,其电子排布式为1s22s22p3,则A为氮元素;E原子核外的M层中只有两对成对电子,电子排布式为1s22s22p63s23p4,则E为硫元素;化合物B2E的晶体为离子晶体,B应为第ⅠA族元素,且原子序数在氮元素和铝元素之间,则B为钠元素;D单质的晶体类型在同周期的单质中没有相同的,D处于第三周期,故D为硅元素;F原子核外最外层电子数与B相同,其余各层均充满,且原子序数最大,电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1,故F为铜元素。
(1)在元素周期表中,同一周期元素的第一电离能从左到右呈增大趋势,同一主族元素的第一电离能从上到下逐渐减小,据此可判断四种元素的第一电离能的顺序为:Na
(3)A的氢化物为NH3,氮原子价层电子对数为3+=4,则氮原子采取sp3杂化;E的低价氧化物为SO2,硫原子孤电子对数为=1,价层电子对数为2+1=3,则为V形;
(4)F为铜元素,其核外电子排布式为:1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1,铜离子与氨气可以配位键形成配离子,其化学式为[Cu(NH3)4]2+;
(5)F为Cu,A为N,且N为-3价,由晶胞结构图可知,氮原子在顶点,则氮原子数为8×=1,铜原子在棱心,则铜原子数为12×=3,所以化学式为Cu3N;
(6)A、C形成的化合物为AlN,根据化合物具有高沸点和高硬度,是一种新型无机非金属材料,可判断晶体类型为原子晶体,化学键类型为共价键。
答案:(1)Na
(3)sp3 V形
(4)1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1
[Cu(NH3)4]2+ 深蓝色
(5)Cu3N (6)AlN 共价键
2.钛(22Ti)铝合金在航空领域应用广泛,回答下列问题:
(1)基态Ti原子的核外电子排布式为[Ar]________,其中s轨道上总共有________个电子。
(2)六氟合钛酸钾(K2TiF6)中存在[TiF6]2-配离子,则钛元素的化合价是________,配位体________。
(3)TiCl3可用作烯烃定向聚合的催化剂,例如丙烯用三乙基铝和三氯化钛做催化剂时,可以发生下列聚合反应:nCH3CHCH2?CH(CH3)-CH2?,该反应中涉及的物质中碳原子的杂化轨道类型有________________________;反应中涉及的元素中电负性最大的是________。三乙基铝是一种易燃物质,在氧气中三乙基铝完全燃烧所得产物中分子的立体构型是直线形的是________。
(4)钛与卤素形成的化合物的熔沸点如下表所示,
熔点/℃
沸点/℃
TiCl4
-25
136.5
TiBr4
39
230
TiI4
150
377
分析TiCl4、TiBr4、TiI4的熔点和沸点呈现一定规律的原因是______________。
【解析】(1)Ti原子的核外有22个电子,最外层有2个电子,基态Ti原子的核外电子排布式为[Ar]3d24s2;s轨道上总共有8个电子。(2)[TiF6]2-中F元素化合价为-1,化合价代数和等于-2,则Ti元素的化合价为+4;配体是F-。(3)单键碳有4个σ键,无孤对电子,为sp3杂化;双键碳有3个σ键,无孤对电子,为sp2杂化;涉及的元素中Cl的非金属性最强,所以Cl的电负性最大;在氧气中三乙基铝完全燃烧生成氧化铝、二氧化碳、水,氧化铝是离子化合物、CO2为直线形分子、H2O是“V”型分子,所以分子的立体构型是直线形的是CO2;(4)TiCl4、TiBr4、TiI4都是分子晶体,而且组成和结构相似,其相对分子质量依次增大,分子间作用力逐渐增大,因而三者的熔点和沸点依次升高。
答案:(1)3d24s2 8 (2)+4 F-
(3)sp2、sp3 Cl CO2
(4)TiCl4、TiBr4、TiI4都是分子晶体,而且组成和结构相似,其相对分子质量依次增大,分子间作用力逐渐增大,因而三者的熔点和沸点依次升高
【加固训练】
(2019·西安模拟)ⅤA族的氮、磷、砷(As)等元素在化合物中常表现出多种氧化态,含ⅤA族元素的化合物在医药生产中有许多重要用途。请回答下列问题:
(1)基态氮原子的价电子排布图(或轨道表示式)是________________;
基态砷原子的电子排布式为________________。
(2)砷与同周期ⅦA族的溴的第一电离能相比,较大的是________。
(3)AsH3是无色稍有大蒜味的气体。AsH3的沸点高于PH3,其主要原因是______。
(4)①肼(N2H4)分子可视为NH3分子中的一个氢原子被—NH2(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物。则N2H4分子中氮原子轨道的杂化类型是________。
②Na3AsO4可作杀虫剂。AS的空间构型为________________,与其互为等电子体的一种分子为________________________。
【解析】(1)氮原子的最外层有5个电子,其价电子排布图为。砷为33号元素,其基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3或[Ar]3d104s24p3。
(2)同周期元素,从左到右第一电离能逐渐增大, 溴的第一电离能大于砷。
(3)AsH3与PH3均为分子晶体,分子间不存在氢键,AsH3的相对分子质量大于PH3的相对分子质量,AsH3分子间作用力大于PH3分子间作用力,故AsH3的沸点高于PH3的沸点。
(4)①NH3分子中氮原子的杂化方式为sp3杂化,氨基(—NH2)中氮原子的杂化方式也为sp3杂化,N2H4的结构简式为H2N—NH2,相当于两个氨基相结合,所以氮原子的杂化方式也为sp3杂化。②根据价层电子对互斥理论知,As的空间构型为正四面体形,与其互为等电子体的分子有CCl4、SiCl4等。
答案: (1)
1s22s22p63s23p63d104s24p3或[Ar]3d104s24p3
(2)溴
(3)AsH3的相对分子质量大于PH3的相对分子质量,故AsH3分子间作用力大于PH3分子间作用力
(4)①sp3 ②正四面体形 CCl4(或其他合理答案)
3.(2019·遵义模拟)核安全与放射性污染防治已引起世界各国的广泛重视。在爆炸的核电站周围含有放射性物质碘-131和铯-137。碘-131一旦被人体吸入,可能会引发甲状腺疾病。
(1)Cs(铯)的价电子排布式为6s1,与铯同主族的前四周期(包括第四周期)的三种元素X、Y、Z的第一电离能如下表:
元素代号
X
Y
Z
第一电离能/(kJ·mol-1)
520
496
419
上述三种元素X、Y、Z的元素符号分别为________,基态Z原子的核外电子排布式为________,X形成的单质晶体中含有的化学键类型是________。
(2)F与I同主族,BeF2与H2O都是由三个原子构成的共价化合物分子,二者分子中的中心原子Be和O的杂化方式分别为________、________,BeF2分子的立体构型是________,H2O分子的立体构型是________。
(3)与碘同主族的氯具有很强的活泼性,能形成大量的含氯化合物。BCl3分子中B-Cl键的键角为________。
【解析】(1)由铯的最外层电子排布式为6s1,可知X、Y、Z为第ⅠA族,而ⅠA族前四周期的元素分别为H、Li、Na、K,又由提供的X、Y的第一电离能的差值与Y、Z的第一电离能的差值相差不大可知,X、Y、Z不可能有H,而同主族元素随着电子层数的增加,第一电离能逐渐减小,故X、Y、Z分别为Li、Na、K;都是金属单质,微粒均以金属键结合;K的核电荷数为19,,核外电子排布式为1s22s22p63s23p64s1。
(2)BeF2分子内中心原子为Be,其价电子数为2,F提供2个电子,所以Be原子的价层电子对数为=2,Be的杂化类型为sp杂化,为直线形分子;H2O分子的中心原子为O,其价电子数为6,H提供2个电子,所以O的价层电子对数为=4,O的杂化类型为sp3,为V形分子。
(3)硼原子价电子数为3,Cl提供3个电子,硼原子的价层电子对数为=3,因价层电子对中没有孤对电子,故BCl3为平面正三角形结构,分子中B-Cl键的键角为120°。
答案:(1)Li、Na、K 1s22s22p63s23p64s1 金属键
(2)sp sp3 直线形 V形
(3)120°
4.(新题预测)砷主要以硫化物矿的形式(如雄黄,雌黄等)存在于自然界。砷及其化合物主要用于合金冶炼、农药医药、颜料等工业。请根据有关砷及其化合物的转化关系和晶体结构图,回答下列问题:
(1)量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道,电子除空间运动状态外,还有一种运动状态叫做________。
(2)基态砷原子的核外电子排布式为________________________,与砷同周期的p区元素中第一电离能大于砷的元素有________________________(填元素符号)。
(3)雄黄分子中,As原子的杂化方式为________________________。
(4)雄黄可经过如下三步反应生成雌黄:
①反应Ⅲ的化学方程式为______________________________________。
②SO2的中心原子的VSEPR构型为____________________________。
③亚砷酸属于三元弱酸,酸性:H3AsO3________HNO2(填“>”或“<”),请根据物质结构的知识解释原因:__ __________________________________________。
【解析】(1)量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道,电子除空间运动状态外,还有一种运动状态称为自旋。(2)As位于第四周期VA族,基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3或[Ar]3d104s24p3;同周期从左向右第一电离能增大,但ⅡA>ⅢA、ⅤA>ⅥA,因此第一电离能大于As元素的是Br和Kr。(3)根据雄黄的结构简式,As有3个σ键,一个孤电子对,因此As的杂化类型为sp3。(4)①根据雌黄的结构,推出雌黄的分子式为As2S3,根据Ⅲ的流程,因此方程式为2H3AsO3+3H2SAs2S3+6H2O;②SO2中心原子有2个σ键,孤电子对数为(6-2×2)/2=1,价层电子对数为3,因此VSEPR模型为平面三角形。
答案:(1)自旋
(2)1s22s22p63s23p63d104s24p3或[Ar]3d104s24p3 Br、Kr
(3)sp3 (4)①2H3AsO3+3H2SAs2S3+6H2O ②平面三角形 ③< 氮的电负性强于砷,另外 H3AsO3 的结构为(HO)3As,非羟基氧的个数为0,HNO2的结构为(HO)NO,非羟基氧的个数为1,非羟基氧的个数越多,中心原子的正电性越高,导致羟基氧中氧的电子向中心原子偏移,越容易电离出氢离子,故HNO2的酸性强于H3AsO3
【加固训练】
(2019·郑州模拟)碳是形成化合物种类最多的元素,其单质及化合物有独特的性质和用途。请回答下列问题。
(1)碳原子核外电子有________种不同的运动状态。碳原子的价电子在形成sp3杂化后,其轨道表达式为________________。
(2)写出一种C的等电子体微粒的化学式________,其空间构型为________。
(3)有机物M()在一定条件下生成N()。
①沸点:M________N (填“大于”或“小于”)。
②M中碳原子杂化类型为________,不同杂化类型的碳原子数之比为________。
③有机物N中除氢原子之外的其他原子的第一电离能由大到小的顺序为________________。
(4)已知CaCO3的热分解温度为900 ℃,SrCO3的热分解温度为1 172 ℃,试从原子结构的角度解释CaCO3的热分解温度低于SrCO3的原因______________。
【解析】(1)碳原子核外有6个电子,则有6种不同的运动状态,碳原子的价电子排布式为2s22p2,在形成sp3杂化后,其轨道表达式为。
(2)C中孤电子对数=0,价层电子对数=3+0=3,则C采取sp2杂化,空间构型为平面三角形;原子个数相等、价电子数相等的微粒互为等电子体,C的原子数为4,价电子数为24,其等电子体微粒的化学式有SO3或N 或Si,它们和C一样采取sp2杂化,空间构型为平面三角形。
(3)①分子间存在氢键,则沸点M小于N 。②中苯环和羰基上碳原子杂化类型为sp2杂化,而亚甲基或甲基碳原子为sp3杂化,不同杂化类型的碳原子数之比为7∶2。③有机物N中除氢原子之外还有C、N、O三种原子,因N原子2p轨道为半充满结构,相对稳定,三种原子的第一电离能由大到小的顺序为N>O>C。
(4)因Ca2+的离子半径小于Sr2+,Ca2+更易结合碳酸根离子中的氧离子,使碳酸根离子更易分解为二氧化碳,故CaCO3的热分解温度低于SrCO3。
答案:(1)6
(2)SO3或 N 或Si 平面三角形
(3)①小于 ②sp2、sp3 7∶2 ③N>O>C
(4)Ca2+的离子半径小于Sr2+,Ca2+更易结合碳酸根离子中的氧离子,使碳酸根离子更易分解为二氧化碳
1.铜、硼、硅、砷等元素的化合物是制造新型激光武器和新型太阳能电池的重要材料。回答下列问题:
(1)基态硅Si)原子中,电子占据的最高能层的轨道数有________个。
(2)已知:蓝色晶体(CuSO4·5H2O)天蓝色溶液深蓝色溶液深蓝色晶体
①蓝色晶体中阴离子的空间构型是________;
②天蓝色溶液中的阳离子是________,其配体中心原子的杂化轨道类型是________;
③24.6 g深蓝色晶体(其摩尔质量为246 g·mol-1)中配离子含有的σ键数是________;
④实验测得无水乙醇易溶于水,其原因是________________________。
(3)砷化镓是具有空间网状结构的晶体,熔点为1230℃,是优良的第三代半导体材料。
砷化镓属于________晶体。已知氮化硼与砷化镓属于同种晶体类型。则两种晶体熔点较高的是________________________(填化学式),其理由是__________ ____________________。上述两种晶体中的四种元素电负性最小的是________ (填元素符号)。
【解析】(1)基态硅Si)原子核外电子数为14,基态原子核外电子排布为1s22s22p63s23p2,电子占据的最高能层符号为M,该能层具有的原子轨道数为1+3+5=9。(2)①蓝色晶体CuSO4·5H2O中阴离子S,根据价层电子对互斥理论,价层电子对个数=σ键+孤电子对个数,S中心原子S的价层电子对数为=4,孤电子对数为=0,不含孤电子对,所以空间构型是正四面体结构;②蓝色晶体溶于水得到天蓝色溶液中的阳离子是[Cu(H2O)4]2+;其配体H2O中心原子O原子杂化轨道数为=4,采取sp3杂化方式;③每个配离子[Cu(NH3)4]2+含有的σ键数是3×4+4=16,故24.6 g深蓝色晶体{[Cu(NH3)4]SO4·H2O}为0.1 mol,其中配离子[Cu(NH3)4]2+含有的σ键数是0.1 mol×16×NA mol-1=1.6NA;④乙醇分子与水分子间存在氢键,乙醇分子和水分子都是极性分子,故无水乙醇易溶于水; (3)①砷化镓是具有空间网状结构的晶体,熔点为1230℃,是优良的第三代半导体材料,与晶体硅相似,故砷化镓属于原子晶体;氮化硼与砷化镓都属于原子晶体,B、N间的键长比Ga、As的键长短,键能大,故BN晶体熔点较高;非金属性越强,电负性越强,则B、N、Ga、As四种元素电负性最小的是Ga。
答案:(1)9 (2)①四面体 ②[Cu(H2O)4]2+ sp3 ③1.6NA ④乙醇分子与水分子间存在氢键,乙醇分子和水分子都是极性分子 (3)原子 BN 二者均为原子晶体,B、N间的键长比Ga、As的键长短,键能大 Ga
2.ⅣA族的碳、硅等元素的化合物在研究和生产中有许多重要用途。请回答下列问题:
(1)在基态14C原子中,核外存在________对自旋相反的电子;C离子的几何构型为________。
(2)利用反应Cu2Cl2+C2H2+2NH3→Cu2C2(乙炔亚铜,红色)+2NH4Cl可检验乙炔。乙炔分子中σ键与π键数目之比为________,NH4Cl中含有的化学键类型有________。
(3)“分子机器设计和合成”的研究对象之一为“分子开关”,“分子开关”与大环主体分子苯芳烃、杯芳烃等有关。
①如图为对叔丁基杯[4]芳烃,由4个羟基构成杯底,羟基间的相互作用力是__________________________。对叔丁基杯[4]芳烃中碳原子的杂化方式有________________________。
②杯芳烃可用于某些ⅢB族元素金属离子如57La3+及21Se2+的萃取,基态Se2+核外电子排布式为______________________。
(4)硅、硒均能与氢元素形成气态氢化物,若“Si-H”中共用电子对偏向氢元素,氢气与硒反应时单质硒是氧化剂,则硒与硅的电负性相对大小为Se________(填“>”或“<”)Si。
与Si同周期的部分元素的电离能(I)如图所示,其中代表第二电离能的图是________(填标号)。
【解析】(1)C原子核外电子排布为1s22s22p2,轨道式为如图所示: ,则在基态14C原子中,核外存在2对自旋相反的电子;C中心原子价层电子对个数==3,碳原子sp2杂化,轨道构型为平面三角形,成键原子有3个,分子空间构型为平面三角形;
(2)乙炔的结构式为H—C≡C—H,单键为σ键,三键含有1个σ键、2个π键,故乙炔分子中σ键与π键数目之比为3∶2;NH4Cl中铵根离子与氯离子之间存在离子键,氮与氢原子之间存在共价键和配位键;(3)①对叔丁基杯[4]芳烃中,O的非金属性很强,在羟基之间存在氢键;叔丁基杯[4]芳烃中含有苯环和饱和烃基,故碳原子的杂化方式有sp2和sp3;②Se是34号元素,Se原子核外有34个电子,Se原子失去2个电子变成Se2+,根据构造原理可知Se2+核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d1或[Ar]3d1;(4)若“Si—H”中键合电子偏向氢原子,说明硅显正价,氢气与硒反应时单质硒是氧化剂,硒显负价,所以硒与硅的电负性相对大小为Se>Si;在第三周期中,钠失去1个电子后,就已经达到稳定结构,所以钠的第二电离能最大,镁最外层为2个电子,失去2个电子后为稳定结构,所以镁的第二电离能较小,铝最外层有3个电子,失去2个电子后还未达稳定结构,而铝的金属性比镁弱,所以第二电离能比镁略高,硅最外层上2p层有2个电子,失去后,留下2个电子,相对较稳定,所以硅的第二电离能比铝要低,磷、硫非金属性逐渐增大,第二电离能也增大,由于硫失去一个电子后,3p轨道上是3个电子,是较稳定结构,所以硫的第二电离能要高于氯,综上分析,代表第二电离能的图是a。
答案:(1)2 平面三角形
(2)3∶2 离子键、共价键、配位键(或离子键、共价键)
(3)①氢键 sp2、sp3 ②1s22s22p63s23p63d1(或[Ar]3d1)
(4)> a
【加固训练】
(2019·济南模拟)GaN、GaP、GaAs是人工合成的一系列新型半导体材料,其晶体结构均与金刚石相似。铜是重要的过渡元素,能形成多种配合物,如Cu2+与乙二胺(H2N—CH2—CH2—NH2)可形成如图所示配离子。回答下列问题:
(1)基态As价电子的电子排布图为________;
(2)熔点:GaN________GaP(填“>”或“<”);
(3)第一电离能:As________Se(填“>”或“<”);
(4)Cu2+与乙二胺所形成的配离子内部不含有的化学键类型是________;
a.配位键 b.极性键 c.离子键 d.非极性键
(5)乙二胺分子中氮原子轨道的杂化类型为________,乙二胺和三甲胺[N(CH3)3]均属于胺。但乙二胺比三甲胺的沸点高很多,原因是__ ____________。
【解析】(1)As是33号元素,根据构造原理写出As的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3,价电子为4s24p3,基态As价电子的电子排布图为。
(2)GaN晶体结构与单晶硅相似,GaN属于原子晶体,N原子半径小于P,共价键键能大,熔点:GaN>GaP。
(3)As的非金属性弱于Se,非金属性越强,第一电离能越大,但是由于As的p轨道电子处于半充满状态,故As的第一电离能>Se,第一电离能:As>Se。
(4)铜离子提供空轨道,乙二胺中氮原子提供孤对电子形成配位键,乙二胺中两个碳形成非极性键,Cu2+与乙二胺所形成的配离子内部不含有的化学键类型是离子键。
(5)氮原子形成3个σ键和一对孤电子对,乙二胺分子中氮原子轨道的杂化类型为sp3;乙二胺分子间可形成氢键,三甲胺分子间不能形成氢键,故乙二胺比三甲胺的沸点高很多。
答案:(1) (2)> (3)> (4)c
(5)sp3 乙二胺分子间可形成氢键,三甲胺分子间不能形成氢键
3.(新题预测)锗(Ge)是典型的半导体元素,在电子、材料等领域应用广泛。回答下列问题:
(1)基态锗原子的核外电子排布式为[Ar]____________,有____________个未成对电子。
(2)Ge与C是同族元素,碳原子之间可以形成双键、三键,但锗原子之间难以形成双键或三键。从原子结构角度分析,原因是____________________________ __________________________________________________。
(3)比较下列锗卤化物的熔点和沸点,分析其变化规律及原因_______________ ___________________________________________________________________________。
GeCl4
GeBr4
Gel4
熔点
-49.5
26
146
沸点
83.1
186
约400
(4)光催化还原CO2制备CH4反应中,带状纳米Zn2GeO4是该反应的良好催化剂。Zn、Ge、O电负性由大至小的顺序是__________。
(5)Ge单晶具有金刚石型结构,其中锗原子的杂化方式为____________,微粒之间存在的作用力是____________。
【解析】(1)锗为32号元素,根据原子核外电子的排布规律,可写出其电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p2,其核外电子排布简式为[Ar]3d104s24p2,其中4p能级有2个未成对电子。
(2)虽然锗与C是同族元素,碳原子之间可以形成双键、三键,但考虑锗的原子半径大,难以通过“肩并肩”方式形成π键,所以锗原子之间难以形成双键或三键。
(3)由表中数据可知,锗的卤化物都是分子晶体,分子间通过分子间作用力结合,对于组成与结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,分子间作用力越强,熔沸点越高,由于相对分子质量:GeCl4
(5)由于锗单晶具有金刚石型的结构,故每个锗原子与相邻的四个锗原子形成四个共价键,其原子轨道杂化类型为sp3杂化。
答案:(1)3d104s24p2 2 (2)锗原子半径大,原子间形成的σ单键较长,p-p轨道肩并肩重叠程度很小或几乎不能重叠,难以形成π键
(3)GeCl4、GeBr4、GeI4的熔、沸点依次增高。原因是分子结构相似,相对分子质量依次增大,分子间相互作用力逐渐增强 (4)O>Ge>Zn (5)sp3 共价键
4.镍及其化合物在工业生产和科研领域有重要的用途。请回答下列问题:
(1)基态Ni原子中,电子填充的能量最高的能级符号为________,价层电子的轨道表达式为________。
(2)Ni的两种配合物结构如图所示:
①A的熔、沸点高于B的原因为____________________________。
②A晶体含有化学键的类型为________(填选项字母)。
A.σ键 B.π键 C.配位键 D.金属键
③A晶体中N原子的杂化形式是________________。
(3)人工合成的砷化镍常存在各种缺陷,某缺陷砷化镍的组成为Ni1.2As,其中Ni元素只有+2和+3两种价态,两种价态的镍离子数目之比为________。
【解析】(1)镍的原子序数为28,其电子排布式为1s22s22p63s23p64s23d8,其价电子的轨道表达式为,所以基态镍原子核外电子填充的能量最高的能级符号为3d。
(2)A中有O—H键,而B中没有,而有O—H键的物质可在分子间形成氢键,使物质的熔沸点升高;在A的分子结构中有CN双键,其中有σ键和π键,有箭头所示的配位键,故选ABC,其中的N原子以sp2方式杂化。
(3)某缺陷砷化镍的组成为Ni1.2As,其中Ni元素只有+2和+3两种价态,设+2价的Ni为x个,+3价的Ni为y个,则由原子守恒得x+y=1.2,由化合价原则得2x+3y=3,求出x=y=0.6,所以两种价态的镍离子数目之比为1∶1。
答案:(1)3d
(2)①A中含氢键 ②A、B、C ③sp2 (3)1∶1
【加固训练】
(2019·遂宁模拟节选)铜、磷及其化合物是非常重要的物质。
(1)Cu+的电子排布式______________________;
(2)在硫酸铜溶液中加入过量KCN,生成配合物[Cu(CN)4]2-。[Cu(CN)4]2-的配体为__________,[Cu(CN)4]2-中C的杂化方式为______________________,则1个[Cu(CN)4]2-中含有的σ键的数目为________个;
(3)锂-磷酸氧铜电池正极的活性物质是Cu4O(PO4)2,不溶于水,可通过Na3PO4、CuSO4和NH3·H2O反应制取。制取Cu4O(PO4)2的化学方程式为____________ __________;
(4)PCl5中P-Cl键长有198 pm和206 pm两种。PCl5是非极性分子,可作为导电熔体,其原理为PCl5电离为一个阴离子和一个阳离子,其中阴离子为正八面体,阳离子为正四面体,写出一种阳离子的等电子体的化学式_______________ _______,PCl5的立体构型为______________________;
【解析】(1)铜的核电荷数是29,Cu+的电子排布式[Ar]3d10。(2)[Cu(CN)4]2-的配体为CN-,CN-是碳氮三键,故碳的杂化类型为sp,1个[Cu(CN)4]2-中含有四个配位键,CN-有一个σ键,故1个[Cu(CN)4]2-的σ键数目为8个。(3)Na3PO4、CuSO4和NH3·H2O反应制取Cu4O(PO4)2,是一个非氧化还原反应,故其化学方程式为2Na3PO4+4CuSO4+2NH3·H2OCu4O(PO4)2↓+3Na2SO4+(NH4)2SO4+H2O。(4)PCl5可电离成PC、PC两种离子,PC为正四面体,PC是正八面体,PCl5的立体构型为三角双锥形,PC为5原子32价电子,与其互为等电子体的微粒有:SiCl4或SiF4或S或P等。
答案:(1)[Ar]3d10(2)CN- sp 8
(3)2Na3PO4+4CuSO4+2NH3·H2OCu4O(PO4)2↓+3Na2SO4+(NH4)2SO4+H2O或4Cu2++2P+2NH3·H2OCu4O(PO4)2↓+2N+H2O
(4)SiCl4(或SiF4或S或P等合理答案均可) 三角双锥
分子结构与性质
1.(2019·开封模拟节选)第四周期有18种元素,其相关化合物在化工、医药、材料等领域均有着广泛的应用。请回答下列问题:
(1)基态钙原子核外电子云形状为________,电子占据的最高能层符号是________。
(2)五氧化二钒(V2O5)是硫酸工业中重要的催化剂,基态钒原子的价电子排布式为____________________。
(3)琥珀酸亚铁片是用于缺铁性贫血的预防和治疗的常见药物,其中“亚铁”是关键成分, K3[Fe(CN)6]溶液是检验Fe2+的试剂,1 mol CN-中含π键的数目为________,临床建议服用维生素C促进“亚铁”的吸收,避免生成Fe3+,从结构角度来看,Fe2+易被氧化成Fe3+的原因是______________________。
(4)镓、锗、砷、硒的第一电离能由大到小的顺序为____________________(用元素符号表示);其中锗的化合物四氯化锗可用作光导纤维掺杂剂,其熔点为-49.5 ℃,沸点为83.1 ℃,则其晶体类型为________,中心原子的杂化类型为________;砷酸酸性弱于硒酸,从分子结构的角度解释原因_____________ _________________。
【解析】(1)基态钙原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p64s2,由于s、p两个能级的电子云形状分别为球形和哑铃形,所以基态钙原子核外电子云形状为球形和哑铃形;电子占据的最高能层是第四层,符号是N。
(2)钒的原子序数为23,所以其基态的价电子排布式为3d34s2。
(3)在CN-内部有一个σ,两个π键,所以1 mol CN-中含π键的数目为2NA;Fe2+的价电子排布式为3d6,Fe3+的价电子排布式为3d5,3d5是半充满状态,比较稳定,所以Fe2+易被氧化成Fe3+。
(4)同周期主族元素的第一电离能从左到右是依次增大的,但其中ⅡA和ⅢA,以及ⅤA和ⅥA之间存在有全满和半满的情况,所以有反常现象,因此镓、锗、砷、硒的第一电离能由大到小的顺序为As>Se>Ge>Ga;四氯化锗的熔沸点都很低,所以其晶体为分子晶体;中心原子即Ge的杂化类型为sp3,可以和四个氯原子形成四个等价的共价键;砷酸的分子式为H3AsO4,而硒酸的分子式为H2SeO4,所以在分子结构上,砷酸分子中的非羟基氧原子数少于硒酸的,所以砷酸酸性弱于硒酸。
答案:(1)球形和哑铃形 N (2)3d34s2 (3)2NA Fe3+的3d5半满状态更稳定
(4)As>Se>Ge>Ga 分子晶体 sp3 硒酸中非羟基氧原子较多(或其他合理解释)
【加固训练】
(2019·哈尔滨模拟)已知A、B、C、D、E、F都是周期表中前四周期的元素,它们的核电荷数A
(2)B的氯化物的熔点比D的氯化物的熔点________(填“高”或“低”),理由是__________。
(3)A的氢化物分子中的中心原子采取________杂化,E的低价氧化物分子的空间构型是____________。
(4)F的核外电子排布式是____________,F的高价离子与A的简单氢化物形成的配离子的化学式为________,颜色为____________。
(5)A、F形成某种化合物的晶胞结构如图所示(其中A显-3价),则其化学式为________(每个球均表示1个原子)。
(6)A、C形成的化合物具有高沸点和高硬度,是一种新型无机非金属材料,则其化学式为____________,其晶体中所含的化学键类型为____________。
【解析】根据题意,C元素是地壳中含量最高的金属元素,则C为铝元素;A原子核外有三个未成对电子,原子序数小于铝元素,其电子排布式为1s22s22p3,则A为氮元素;E原子核外的M层中只有两对成对电子,电子排布式为1s22s22p63s23p4,则E为硫元素;化合物B2E的晶体为离子晶体,B应为第ⅠA族元素,且原子序数在氮元素和铝元素之间,则B为钠元素;D单质的晶体类型在同周期的单质中没有相同的,D处于第三周期,故D为硅元素;F原子核外最外层电子数与B相同,其余各层均充满,且原子序数最大,电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1,故F为铜元素。
(1)在元素周期表中,同一周期元素的第一电离能从左到右呈增大趋势,同一主族元素的第一电离能从上到下逐渐减小,据此可判断四种元素的第一电离能的顺序为:Na
(3)A的氢化物为NH3,氮原子价层电子对数为3+=4,则氮原子采取sp3杂化;E的低价氧化物为SO2,硫原子孤电子对数为=1,价层电子对数为2+1=3,则为V形;
(4)F为铜元素,其核外电子排布式为:1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1,铜离子与氨气可以配位键形成配离子,其化学式为[Cu(NH3)4]2+;
(5)F为Cu,A为N,且N为-3价,由晶胞结构图可知,氮原子在顶点,则氮原子数为8×=1,铜原子在棱心,则铜原子数为12×=3,所以化学式为Cu3N;
(6)A、C形成的化合物为AlN,根据化合物具有高沸点和高硬度,是一种新型无机非金属材料,可判断晶体类型为原子晶体,化学键类型为共价键。
答案:(1)Na
(3)sp3 V形
(4)1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1
[Cu(NH3)4]2+ 深蓝色
(5)Cu3N (6)AlN 共价键
2.钛(22Ti)铝合金在航空领域应用广泛,回答下列问题:
(1)基态Ti原子的核外电子排布式为[Ar]________,其中s轨道上总共有________个电子。
(2)六氟合钛酸钾(K2TiF6)中存在[TiF6]2-配离子,则钛元素的化合价是________,配位体________。
(3)TiCl3可用作烯烃定向聚合的催化剂,例如丙烯用三乙基铝和三氯化钛做催化剂时,可以发生下列聚合反应:nCH3CHCH2?CH(CH3)-CH2?,该反应中涉及的物质中碳原子的杂化轨道类型有________________________;反应中涉及的元素中电负性最大的是________。三乙基铝是一种易燃物质,在氧气中三乙基铝完全燃烧所得产物中分子的立体构型是直线形的是________。
(4)钛与卤素形成的化合物的熔沸点如下表所示,
熔点/℃
沸点/℃
TiCl4
-25
136.5
TiBr4
39
230
TiI4
150
377
分析TiCl4、TiBr4、TiI4的熔点和沸点呈现一定规律的原因是______________。
【解析】(1)Ti原子的核外有22个电子,最外层有2个电子,基态Ti原子的核外电子排布式为[Ar]3d24s2;s轨道上总共有8个电子。(2)[TiF6]2-中F元素化合价为-1,化合价代数和等于-2,则Ti元素的化合价为+4;配体是F-。(3)单键碳有4个σ键,无孤对电子,为sp3杂化;双键碳有3个σ键,无孤对电子,为sp2杂化;涉及的元素中Cl的非金属性最强,所以Cl的电负性最大;在氧气中三乙基铝完全燃烧生成氧化铝、二氧化碳、水,氧化铝是离子化合物、CO2为直线形分子、H2O是“V”型分子,所以分子的立体构型是直线形的是CO2;(4)TiCl4、TiBr4、TiI4都是分子晶体,而且组成和结构相似,其相对分子质量依次增大,分子间作用力逐渐增大,因而三者的熔点和沸点依次升高。
答案:(1)3d24s2 8 (2)+4 F-
(3)sp2、sp3 Cl CO2
(4)TiCl4、TiBr4、TiI4都是分子晶体,而且组成和结构相似,其相对分子质量依次增大,分子间作用力逐渐增大,因而三者的熔点和沸点依次升高
【加固训练】
(2019·西安模拟)ⅤA族的氮、磷、砷(As)等元素在化合物中常表现出多种氧化态,含ⅤA族元素的化合物在医药生产中有许多重要用途。请回答下列问题:
(1)基态氮原子的价电子排布图(或轨道表示式)是________________;
基态砷原子的电子排布式为________________。
(2)砷与同周期ⅦA族的溴的第一电离能相比,较大的是________。
(3)AsH3是无色稍有大蒜味的气体。AsH3的沸点高于PH3,其主要原因是______。
(4)①肼(N2H4)分子可视为NH3分子中的一个氢原子被—NH2(氨基)取代形成的另一种氮的氢化物。则N2H4分子中氮原子轨道的杂化类型是________。
②Na3AsO4可作杀虫剂。AS的空间构型为________________,与其互为等电子体的一种分子为________________________。
【解析】(1)氮原子的最外层有5个电子,其价电子排布图为。砷为33号元素,其基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3或[Ar]3d104s24p3。
(2)同周期元素,从左到右第一电离能逐渐增大, 溴的第一电离能大于砷。
(3)AsH3与PH3均为分子晶体,分子间不存在氢键,AsH3的相对分子质量大于PH3的相对分子质量,AsH3分子间作用力大于PH3分子间作用力,故AsH3的沸点高于PH3的沸点。
(4)①NH3分子中氮原子的杂化方式为sp3杂化,氨基(—NH2)中氮原子的杂化方式也为sp3杂化,N2H4的结构简式为H2N—NH2,相当于两个氨基相结合,所以氮原子的杂化方式也为sp3杂化。②根据价层电子对互斥理论知,As的空间构型为正四面体形,与其互为等电子体的分子有CCl4、SiCl4等。
答案: (1)
1s22s22p63s23p63d104s24p3或[Ar]3d104s24p3
(2)溴
(3)AsH3的相对分子质量大于PH3的相对分子质量,故AsH3分子间作用力大于PH3分子间作用力
(4)①sp3 ②正四面体形 CCl4(或其他合理答案)
3.(2019·遵义模拟)核安全与放射性污染防治已引起世界各国的广泛重视。在爆炸的核电站周围含有放射性物质碘-131和铯-137。碘-131一旦被人体吸入,可能会引发甲状腺疾病。
(1)Cs(铯)的价电子排布式为6s1,与铯同主族的前四周期(包括第四周期)的三种元素X、Y、Z的第一电离能如下表:
元素代号
X
Y
Z
第一电离能/(kJ·mol-1)
520
496
419
上述三种元素X、Y、Z的元素符号分别为________,基态Z原子的核外电子排布式为________,X形成的单质晶体中含有的化学键类型是________。
(2)F与I同主族,BeF2与H2O都是由三个原子构成的共价化合物分子,二者分子中的中心原子Be和O的杂化方式分别为________、________,BeF2分子的立体构型是________,H2O分子的立体构型是________。
(3)与碘同主族的氯具有很强的活泼性,能形成大量的含氯化合物。BCl3分子中B-Cl键的键角为________。
【解析】(1)由铯的最外层电子排布式为6s1,可知X、Y、Z为第ⅠA族,而ⅠA族前四周期的元素分别为H、Li、Na、K,又由提供的X、Y的第一电离能的差值与Y、Z的第一电离能的差值相差不大可知,X、Y、Z不可能有H,而同主族元素随着电子层数的增加,第一电离能逐渐减小,故X、Y、Z分别为Li、Na、K;都是金属单质,微粒均以金属键结合;K的核电荷数为19,,核外电子排布式为1s22s22p63s23p64s1。
(2)BeF2分子内中心原子为Be,其价电子数为2,F提供2个电子,所以Be原子的价层电子对数为=2,Be的杂化类型为sp杂化,为直线形分子;H2O分子的中心原子为O,其价电子数为6,H提供2个电子,所以O的价层电子对数为=4,O的杂化类型为sp3,为V形分子。
(3)硼原子价电子数为3,Cl提供3个电子,硼原子的价层电子对数为=3,因价层电子对中没有孤对电子,故BCl3为平面正三角形结构,分子中B-Cl键的键角为120°。
答案:(1)Li、Na、K 1s22s22p63s23p64s1 金属键
(2)sp sp3 直线形 V形
(3)120°
4.(新题预测)砷主要以硫化物矿的形式(如雄黄,雌黄等)存在于自然界。砷及其化合物主要用于合金冶炼、农药医药、颜料等工业。请根据有关砷及其化合物的转化关系和晶体结构图,回答下列问题:
(1)量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道,电子除空间运动状态外,还有一种运动状态叫做________。
(2)基态砷原子的核外电子排布式为________________________,与砷同周期的p区元素中第一电离能大于砷的元素有________________________(填元素符号)。
(3)雄黄分子中,As原子的杂化方式为________________________。
(4)雄黄可经过如下三步反应生成雌黄:
①反应Ⅲ的化学方程式为______________________________________。
②SO2的中心原子的VSEPR构型为____________________________。
③亚砷酸属于三元弱酸,酸性:H3AsO3________HNO2(填“>”或“<”),请根据物质结构的知识解释原因:__ __________________________________________。
【解析】(1)量子力学把电子在原子核外的一个空间运动状态称为一个原子轨道,电子除空间运动状态外,还有一种运动状态称为自旋。(2)As位于第四周期VA族,基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3或[Ar]3d104s24p3;同周期从左向右第一电离能增大,但ⅡA>ⅢA、ⅤA>ⅥA,因此第一电离能大于As元素的是Br和Kr。(3)根据雄黄的结构简式,As有3个σ键,一个孤电子对,因此As的杂化类型为sp3。(4)①根据雌黄的结构,推出雌黄的分子式为As2S3,根据Ⅲ的流程,因此方程式为2H3AsO3+3H2SAs2S3+6H2O;②SO2中心原子有2个σ键,孤电子对数为(6-2×2)/2=1,价层电子对数为3,因此VSEPR模型为平面三角形。
答案:(1)自旋
(2)1s22s22p63s23p63d104s24p3或[Ar]3d104s24p3 Br、Kr
(3)sp3 (4)①2H3AsO3+3H2SAs2S3+6H2O ②平面三角形 ③< 氮的电负性强于砷,另外 H3AsO3 的结构为(HO)3As,非羟基氧的个数为0,HNO2的结构为(HO)NO,非羟基氧的个数为1,非羟基氧的个数越多,中心原子的正电性越高,导致羟基氧中氧的电子向中心原子偏移,越容易电离出氢离子,故HNO2的酸性强于H3AsO3
【加固训练】
(2019·郑州模拟)碳是形成化合物种类最多的元素,其单质及化合物有独特的性质和用途。请回答下列问题。
(1)碳原子核外电子有________种不同的运动状态。碳原子的价电子在形成sp3杂化后,其轨道表达式为________________。
(2)写出一种C的等电子体微粒的化学式________,其空间构型为________。
(3)有机物M()在一定条件下生成N()。
①沸点:M________N (填“大于”或“小于”)。
②M中碳原子杂化类型为________,不同杂化类型的碳原子数之比为________。
③有机物N中除氢原子之外的其他原子的第一电离能由大到小的顺序为________________。
(4)已知CaCO3的热分解温度为900 ℃,SrCO3的热分解温度为1 172 ℃,试从原子结构的角度解释CaCO3的热分解温度低于SrCO3的原因______________。
【解析】(1)碳原子核外有6个电子,则有6种不同的运动状态,碳原子的价电子排布式为2s22p2,在形成sp3杂化后,其轨道表达式为。
(2)C中孤电子对数=0,价层电子对数=3+0=3,则C采取sp2杂化,空间构型为平面三角形;原子个数相等、价电子数相等的微粒互为等电子体,C的原子数为4,价电子数为24,其等电子体微粒的化学式有SO3或N 或Si,它们和C一样采取sp2杂化,空间构型为平面三角形。
(3)①分子间存在氢键,则沸点M小于N 。②中苯环和羰基上碳原子杂化类型为sp2杂化,而亚甲基或甲基碳原子为sp3杂化,不同杂化类型的碳原子数之比为7∶2。③有机物N中除氢原子之外还有C、N、O三种原子,因N原子2p轨道为半充满结构,相对稳定,三种原子的第一电离能由大到小的顺序为N>O>C。
(4)因Ca2+的离子半径小于Sr2+,Ca2+更易结合碳酸根离子中的氧离子,使碳酸根离子更易分解为二氧化碳,故CaCO3的热分解温度低于SrCO3。
答案:(1)6
(2)SO3或 N 或Si 平面三角形
(3)①小于 ②sp2、sp3 7∶2 ③N>O>C
(4)Ca2+的离子半径小于Sr2+,Ca2+更易结合碳酸根离子中的氧离子,使碳酸根离子更易分解为二氧化碳
1.铜、硼、硅、砷等元素的化合物是制造新型激光武器和新型太阳能电池的重要材料。回答下列问题:
(1)基态硅Si)原子中,电子占据的最高能层的轨道数有________个。
(2)已知:蓝色晶体(CuSO4·5H2O)天蓝色溶液深蓝色溶液深蓝色晶体
①蓝色晶体中阴离子的空间构型是________;
②天蓝色溶液中的阳离子是________,其配体中心原子的杂化轨道类型是________;
③24.6 g深蓝色晶体(其摩尔质量为246 g·mol-1)中配离子含有的σ键数是________;
④实验测得无水乙醇易溶于水,其原因是________________________。
(3)砷化镓是具有空间网状结构的晶体,熔点为1230℃,是优良的第三代半导体材料。
砷化镓属于________晶体。已知氮化硼与砷化镓属于同种晶体类型。则两种晶体熔点较高的是________________________(填化学式),其理由是__________ ____________________。上述两种晶体中的四种元素电负性最小的是________ (填元素符号)。
【解析】(1)基态硅Si)原子核外电子数为14,基态原子核外电子排布为1s22s22p63s23p2,电子占据的最高能层符号为M,该能层具有的原子轨道数为1+3+5=9。(2)①蓝色晶体CuSO4·5H2O中阴离子S,根据价层电子对互斥理论,价层电子对个数=σ键+孤电子对个数,S中心原子S的价层电子对数为=4,孤电子对数为=0,不含孤电子对,所以空间构型是正四面体结构;②蓝色晶体溶于水得到天蓝色溶液中的阳离子是[Cu(H2O)4]2+;其配体H2O中心原子O原子杂化轨道数为=4,采取sp3杂化方式;③每个配离子[Cu(NH3)4]2+含有的σ键数是3×4+4=16,故24.6 g深蓝色晶体{[Cu(NH3)4]SO4·H2O}为0.1 mol,其中配离子[Cu(NH3)4]2+含有的σ键数是0.1 mol×16×NA mol-1=1.6NA;④乙醇分子与水分子间存在氢键,乙醇分子和水分子都是极性分子,故无水乙醇易溶于水; (3)①砷化镓是具有空间网状结构的晶体,熔点为1230℃,是优良的第三代半导体材料,与晶体硅相似,故砷化镓属于原子晶体;氮化硼与砷化镓都属于原子晶体,B、N间的键长比Ga、As的键长短,键能大,故BN晶体熔点较高;非金属性越强,电负性越强,则B、N、Ga、As四种元素电负性最小的是Ga。
答案:(1)9 (2)①四面体 ②[Cu(H2O)4]2+ sp3 ③1.6NA ④乙醇分子与水分子间存在氢键,乙醇分子和水分子都是极性分子 (3)原子 BN 二者均为原子晶体,B、N间的键长比Ga、As的键长短,键能大 Ga
2.ⅣA族的碳、硅等元素的化合物在研究和生产中有许多重要用途。请回答下列问题:
(1)在基态14C原子中,核外存在________对自旋相反的电子;C离子的几何构型为________。
(2)利用反应Cu2Cl2+C2H2+2NH3→Cu2C2(乙炔亚铜,红色)+2NH4Cl可检验乙炔。乙炔分子中σ键与π键数目之比为________,NH4Cl中含有的化学键类型有________。
(3)“分子机器设计和合成”的研究对象之一为“分子开关”,“分子开关”与大环主体分子苯芳烃、杯芳烃等有关。
①如图为对叔丁基杯[4]芳烃,由4个羟基构成杯底,羟基间的相互作用力是__________________________。对叔丁基杯[4]芳烃中碳原子的杂化方式有________________________。
②杯芳烃可用于某些ⅢB族元素金属离子如57La3+及21Se2+的萃取,基态Se2+核外电子排布式为______________________。
(4)硅、硒均能与氢元素形成气态氢化物,若“Si-H”中共用电子对偏向氢元素,氢气与硒反应时单质硒是氧化剂,则硒与硅的电负性相对大小为Se________(填“>”或“<”)Si。
与Si同周期的部分元素的电离能(I)如图所示,其中代表第二电离能的图是________(填标号)。
【解析】(1)C原子核外电子排布为1s22s22p2,轨道式为如图所示: ,则在基态14C原子中,核外存在2对自旋相反的电子;C中心原子价层电子对个数==3,碳原子sp2杂化,轨道构型为平面三角形,成键原子有3个,分子空间构型为平面三角形;
(2)乙炔的结构式为H—C≡C—H,单键为σ键,三键含有1个σ键、2个π键,故乙炔分子中σ键与π键数目之比为3∶2;NH4Cl中铵根离子与氯离子之间存在离子键,氮与氢原子之间存在共价键和配位键;(3)①对叔丁基杯[4]芳烃中,O的非金属性很强,在羟基之间存在氢键;叔丁基杯[4]芳烃中含有苯环和饱和烃基,故碳原子的杂化方式有sp2和sp3;②Se是34号元素,Se原子核外有34个电子,Se原子失去2个电子变成Se2+,根据构造原理可知Se2+核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d1或[Ar]3d1;(4)若“Si—H”中键合电子偏向氢原子,说明硅显正价,氢气与硒反应时单质硒是氧化剂,硒显负价,所以硒与硅的电负性相对大小为Se>Si;在第三周期中,钠失去1个电子后,就已经达到稳定结构,所以钠的第二电离能最大,镁最外层为2个电子,失去2个电子后为稳定结构,所以镁的第二电离能较小,铝最外层有3个电子,失去2个电子后还未达稳定结构,而铝的金属性比镁弱,所以第二电离能比镁略高,硅最外层上2p层有2个电子,失去后,留下2个电子,相对较稳定,所以硅的第二电离能比铝要低,磷、硫非金属性逐渐增大,第二电离能也增大,由于硫失去一个电子后,3p轨道上是3个电子,是较稳定结构,所以硫的第二电离能要高于氯,综上分析,代表第二电离能的图是a。
答案:(1)2 平面三角形
(2)3∶2 离子键、共价键、配位键(或离子键、共价键)
(3)①氢键 sp2、sp3 ②1s22s22p63s23p63d1(或[Ar]3d1)
(4)> a
【加固训练】
(2019·济南模拟)GaN、GaP、GaAs是人工合成的一系列新型半导体材料,其晶体结构均与金刚石相似。铜是重要的过渡元素,能形成多种配合物,如Cu2+与乙二胺(H2N—CH2—CH2—NH2)可形成如图所示配离子。回答下列问题:
(1)基态As价电子的电子排布图为________;
(2)熔点:GaN________GaP(填“>”或“<”);
(3)第一电离能:As________Se(填“>”或“<”);
(4)Cu2+与乙二胺所形成的配离子内部不含有的化学键类型是________;
a.配位键 b.极性键 c.离子键 d.非极性键
(5)乙二胺分子中氮原子轨道的杂化类型为________,乙二胺和三甲胺[N(CH3)3]均属于胺。但乙二胺比三甲胺的沸点高很多,原因是__ ____________。
【解析】(1)As是33号元素,根据构造原理写出As的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3,价电子为4s24p3,基态As价电子的电子排布图为。
(2)GaN晶体结构与单晶硅相似,GaN属于原子晶体,N原子半径小于P,共价键键能大,熔点:GaN>GaP。
(3)As的非金属性弱于Se,非金属性越强,第一电离能越大,但是由于As的p轨道电子处于半充满状态,故As的第一电离能>Se,第一电离能:As>Se。
(4)铜离子提供空轨道,乙二胺中氮原子提供孤对电子形成配位键,乙二胺中两个碳形成非极性键,Cu2+与乙二胺所形成的配离子内部不含有的化学键类型是离子键。
(5)氮原子形成3个σ键和一对孤电子对,乙二胺分子中氮原子轨道的杂化类型为sp3;乙二胺分子间可形成氢键,三甲胺分子间不能形成氢键,故乙二胺比三甲胺的沸点高很多。
答案:(1) (2)> (3)> (4)c
(5)sp3 乙二胺分子间可形成氢键,三甲胺分子间不能形成氢键
3.(新题预测)锗(Ge)是典型的半导体元素,在电子、材料等领域应用广泛。回答下列问题:
(1)基态锗原子的核外电子排布式为[Ar]____________,有____________个未成对电子。
(2)Ge与C是同族元素,碳原子之间可以形成双键、三键,但锗原子之间难以形成双键或三键。从原子结构角度分析,原因是____________________________ __________________________________________________。
(3)比较下列锗卤化物的熔点和沸点,分析其变化规律及原因_______________ ___________________________________________________________________________。
GeCl4
GeBr4
Gel4
熔点
-49.5
26
146
沸点
83.1
186
约400
(4)光催化还原CO2制备CH4反应中,带状纳米Zn2GeO4是该反应的良好催化剂。Zn、Ge、O电负性由大至小的顺序是__________。
(5)Ge单晶具有金刚石型结构,其中锗原子的杂化方式为____________,微粒之间存在的作用力是____________。
【解析】(1)锗为32号元素,根据原子核外电子的排布规律,可写出其电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p2,其核外电子排布简式为[Ar]3d104s24p2,其中4p能级有2个未成对电子。
(2)虽然锗与C是同族元素,碳原子之间可以形成双键、三键,但考虑锗的原子半径大,难以通过“肩并肩”方式形成π键,所以锗原子之间难以形成双键或三键。
(3)由表中数据可知,锗的卤化物都是分子晶体,分子间通过分子间作用力结合,对于组成与结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,分子间作用力越强,熔沸点越高,由于相对分子质量:GeCl4
(5)由于锗单晶具有金刚石型的结构,故每个锗原子与相邻的四个锗原子形成四个共价键,其原子轨道杂化类型为sp3杂化。
答案:(1)3d104s24p2 2 (2)锗原子半径大,原子间形成的σ单键较长,p-p轨道肩并肩重叠程度很小或几乎不能重叠,难以形成π键
(3)GeCl4、GeBr4、GeI4的熔、沸点依次增高。原因是分子结构相似,相对分子质量依次增大,分子间相互作用力逐渐增强 (4)O>Ge>Zn (5)sp3 共价键
4.镍及其化合物在工业生产和科研领域有重要的用途。请回答下列问题:
(1)基态Ni原子中,电子填充的能量最高的能级符号为________,价层电子的轨道表达式为________。
(2)Ni的两种配合物结构如图所示:
①A的熔、沸点高于B的原因为____________________________。
②A晶体含有化学键的类型为________(填选项字母)。
A.σ键 B.π键 C.配位键 D.金属键
③A晶体中N原子的杂化形式是________________。
(3)人工合成的砷化镍常存在各种缺陷,某缺陷砷化镍的组成为Ni1.2As,其中Ni元素只有+2和+3两种价态,两种价态的镍离子数目之比为________。
【解析】(1)镍的原子序数为28,其电子排布式为1s22s22p63s23p64s23d8,其价电子的轨道表达式为,所以基态镍原子核外电子填充的能量最高的能级符号为3d。
(2)A中有O—H键,而B中没有,而有O—H键的物质可在分子间形成氢键,使物质的熔沸点升高;在A的分子结构中有CN双键,其中有σ键和π键,有箭头所示的配位键,故选ABC,其中的N原子以sp2方式杂化。
(3)某缺陷砷化镍的组成为Ni1.2As,其中Ni元素只有+2和+3两种价态,设+2价的Ni为x个,+3价的Ni为y个,则由原子守恒得x+y=1.2,由化合价原则得2x+3y=3,求出x=y=0.6,所以两种价态的镍离子数目之比为1∶1。
答案:(1)3d
(2)①A中含氢键 ②A、B、C ③sp2 (3)1∶1
【加固训练】
(2019·遂宁模拟节选)铜、磷及其化合物是非常重要的物质。
(1)Cu+的电子排布式______________________;
(2)在硫酸铜溶液中加入过量KCN,生成配合物[Cu(CN)4]2-。[Cu(CN)4]2-的配体为__________,[Cu(CN)4]2-中C的杂化方式为______________________,则1个[Cu(CN)4]2-中含有的σ键的数目为________个;
(3)锂-磷酸氧铜电池正极的活性物质是Cu4O(PO4)2,不溶于水,可通过Na3PO4、CuSO4和NH3·H2O反应制取。制取Cu4O(PO4)2的化学方程式为____________ __________;
(4)PCl5中P-Cl键长有198 pm和206 pm两种。PCl5是非极性分子,可作为导电熔体,其原理为PCl5电离为一个阴离子和一个阳离子,其中阴离子为正八面体,阳离子为正四面体,写出一种阳离子的等电子体的化学式_______________ _______,PCl5的立体构型为______________________;
【解析】(1)铜的核电荷数是29,Cu+的电子排布式[Ar]3d10。(2)[Cu(CN)4]2-的配体为CN-,CN-是碳氮三键,故碳的杂化类型为sp,1个[Cu(CN)4]2-中含有四个配位键,CN-有一个σ键,故1个[Cu(CN)4]2-的σ键数目为8个。(3)Na3PO4、CuSO4和NH3·H2O反应制取Cu4O(PO4)2,是一个非氧化还原反应,故其化学方程式为2Na3PO4+4CuSO4+2NH3·H2OCu4O(PO4)2↓+3Na2SO4+(NH4)2SO4+H2O。(4)PCl5可电离成PC、PC两种离子,PC为正四面体,PC是正八面体,PCl5的立体构型为三角双锥形,PC为5原子32价电子,与其互为等电子体的微粒有:SiCl4或SiF4或S或P等。
答案:(1)[Ar]3d10(2)CN- sp 8
(3)2Na3PO4+4CuSO4+2NH3·H2OCu4O(PO4)2↓+3Na2SO4+(NH4)2SO4+H2O或4Cu2++2P+2NH3·H2OCu4O(PO4)2↓+2N+H2O
(4)SiCl4(或SiF4或S或P等合理答案均可) 三角双锥
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