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新高考化学二轮复习精品课件专题五物质结构与性质（含解析）
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这是一份新高考化学二轮复习精品课件专题五物质结构与性质（含解析），共60页。PPT课件主要包含了内容索引，核心考点聚焦，专项热考突破，专题体系构建，P3-，GeSe，d104s1，d95s25p1，电子云，+1价等内容，欢迎下载使用。
[核心回顾]1.明确微粒间“三个”数量关系中性原子:核电荷数=质子数=核外电子数=原子序数阴离子:核外电子数=质子数+所带的电荷数阳离子:核外电子数=质子数-所带的电荷数微点拨:阴、阳离子电子层结构相同时,阴离子对应元素处于上一周期,阳离子对应元素处于下一周期。
2.明确基态原子核外电子排布的四种方法
3.理解基态原子(或离子)核外电子排布的三原则书写轨道表示式时,要先考虑洪特规则,后考虑泡利原理(1)泡利原理①在一个原子轨道中,最多只能容纳2个电子,它们的自旋相反;②根据泡利原理,同一个原子中没有运动状态完全相同的电子;③原子中不同运动状态的电子种类=原子核外电子总数。(2)洪特规则①基态原子中,填入兼并轨道的电子总是先单独分占,且自旋平行;②兼并轨道也叫等价轨道,是指能量相同的原子轨道;③多电子原子中同一能级的原子轨道能量相同,如2px、2py、2pz等。
(3)能量最低原理①在构建基态原子时,电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道,使整个原子的能量最低;②“能量最低的原子轨道”指的是电子填入后使整个原子能量达到最低的轨道;③“能量最低原理”就是电子在原子轨道上的分布要使整个原子的能量最低;④整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定,比较复杂。
[命题角度]角度1基态原子(或离子)的核外电子排布【典例】 (1)(2022湖南卷,18节选)基态Se原子的核外电子排布式为[Ar] 。 (2)(2022全国甲卷,35节选)基态F原子的价电子排布图(轨道表示式)为 。 (3)(2022全国乙卷,35节选)氟原子激发态的电子排布式有 ,其中能量较高的是 (填字母)。 a.1s22s22p43s1b.1s22s22p43d2 c.1s22s12p5 d.1s22s22p33p2(4)[2021福建卷,14节选]基态碳原子的成对电子数与未成对电子数之比为 。
3d104s24p4
角度拓展1.(2022河北唐山模拟)基态镓的核外电子占据的最高能层符号为 ,能量最高的电子占据的原子轨道电子云轮廓为 形。 2.(2022湖南长沙模拟)在KH2PO4的四种组成元素各自所能形成的简单离子中,核外电子排布式相同的是 (填离子符号)。 3.(2022辽宁本溪模拟)基态Ni2+核外电子排布式为 ;同周期中,与基态Ni具有相同未成对电子数的元素有 (填元素符号)。
[Ar]3d8(或1s22s22p63s23p63d8)
4.(2022山东济宁模拟)基态钛原子的px原子轨道上的电子数为 。 5.基态铜原子的价层电子排布式为 。 6.Cd与Zn同族且相邻,若基态Cd原子将次外层1个d电子激发进入最外层的np能级,则该激发态原子的价层电子排布式为 。Cd原子中第一电离能相对较大的是 (填“基态”或“激发态”)原子。 7.基态钛原子的价层电子的轨道表示式为 ,与钛同周期的过渡元素中,基态原子的成对电子数与钛相同的有 种。
角度2基态原子(或离子)核外电子的运动状态【典例】 (1)(2021山东卷,16节选)基态F原子核外电子的运动状态有 种。 (2)(2021河北卷,17节选)原子中运动的电子有两种相反的自旋状态,若一种自旋状态用+ 表示,与之相反的用- 表示,称为电子的自旋磁量子数。对于基态的磷原子,其价电子自旋磁量子数的代数和为 。
角度拓展1.(2022山东滨州模拟)基态碳原子核外电子的运动状态有 种,核外电子的空间运动状态有 种。 2.(2022湖北咸宁模拟)在元素周期表中,与Li的化学性质最相似的邻族元素是 ,该元素基态原子核外M层电子的自旋状态 (填“相同”或“相反”)。 3.(2022辽宁铁岭模拟)处于一定空间运动状态的电子在原子核外出现的概率密度分布可用 形象化描述。在基态 原子中,核外存在 对自旋相反的电子。
[核心回顾] 1.熟悉元素周期表的结构及分区
2.掌握元素的金属性和非金属性强弱的判断方法
3.熟记同周期(主族)元素原子结构和元素性质的变化规律
[命题角度]角度1元素周期表的结构与分区【典例】 (1)(2021广东卷,20节选)汞的原子序数为80,位于元素周期表第 周期第ⅡB族。 (2)(2021辽宁卷,16节选)Cr元素位于元素周期表第 周期第 族。 (3)(2021湖北卷,16节选)硒(Se)与硫为同族元素,Se的最外层电子数为 ;镓(Ga)和铟(In)位于元素周期表第ⅢA族,中Cu的化合价为 。
角度拓展1.(2022北京石景山区模拟)铁元素在元素周期表中的位置是 ,属于 (填“s”“d”“ds”或“p”)区。 2.(2022北京朝阳区模拟)铜—镍镀层能增强材料的耐蚀性。按照核外电子排布,把元素周期表划分为5个区,Ni位于 区。 3.(2022重庆育才中学诊断)Pt的电子排布式为[Xe]4f145d96s1,则Pt在元素周期表中的位置是 ,处于 区。
角度2元素周期律及应用【典例】 (1)(2022湖南卷,18节选)富马酸亚铁(FeC4H2O4)是一种补铁剂。富马酸分子的结构模型如图所示: 。富马酸亚铁中各元素的电负性由大到小的顺序为 。
(2)(2022全国甲卷,35节选)图a、b、c分别表示C、N、O和F的逐级电离能I变化趋势(纵坐标的标度不同)。第一电离能的变化图是 (填标号),判断的根据是_________________________________________________________________________________________________________________ ;第三电离能的变化图是 (填标号)。
同一周期从左到右,原子半径依次减小,基态原子第一电离能呈增大趋势,但由于氮原子2p能级半充满,失电子相对较难,第一电离能大于C、
(3)元素Cu与Ni的第二电离能分别为1 959 kJ·ml-1、1 753 kJ·ml-1, I2(Ni)
角度拓展1.(2021山东卷,16节选)O、F、Cl电负性由大到小的顺序为 。 2.(2021海南卷,19节选)第一电离能的大小:C (填“大于”或“小于”)O。 3.(2022河北名校联盟联考)KBe2BO3F2的组成元素中,非金属元素的电负性由强到弱的顺序为 (填元素符号),基态原子的第一电离能:Be (填“>”或“<”)B。
4.(2022广东深圳第二次调研)Br、I的第一电离能的大小关系:I1(Br) (填“大于”“小于”或“等于”)I1(I)。 5.(2022广东肇庆模拟)Ga、As、Se 3种元素的第一电离能由大到小的顺序为 。 6.(2022广东梅州第一次质检)[Cu(NH3)4]CO3中所含元素中电负性最大的非金属元素是 (填元素符号)。
[核心回顾]1.共价键的类型和键参数的应用(1)判断σ键、π键的两种方法
(2)大Π键的形成及表示①所有参与离域Π键的原子都必须提供与相邻原子p轨道相互平行或接近平行的p轨道;②离域Π键符号可用 表示,其中m为平行的p轨道总数(即参与形成大Π键的原子数),n为平行p轨道里的电子总数。
2.价层电子对互斥模型及其应用(1)价层电子对互斥模型反映价层电子对的空间结构,而分子(或离子)的空间结构仅是成键电子对的空间结构,不包括孤电子对。
(2)电子对之间排斥力对键角的影响
微点拨:用价层电子对互斥理论判断分子的空间结构时,不仅要考虑中心 原子的孤电子对所占据的空间,还要考虑孤电子对对成键电子对的排斥力大小。
3.杂化轨道理论与分子(或离子)的空间结构(1)杂化轨道理论的要点当原子成键时,原子的价电子轨道相互混杂,形成与原轨道数相等且能量相同的杂化轨道。杂化轨道数不同,轨道间的夹角不同,形成分子的空间结构不同。
(2)中心原子杂化类型和分子(或离子)空间结构的相互判断
4.正确理解配位键和配位化合物(1)配位键的形成和表示①配位键的形成:成键原子一方提供孤电子对,另一方提供空轨道形成的共价键;②配位键的表示:常用“A—B”来表示配位键,A提供孤电子对,B提供空轨道。(2)配合物的组成和结构{以[Zn(NH3)4]SO4为例}配位体必须有孤电子对,如H2O、NH3、CO、F-、Cl-、CN-等。中心离子(或原子)有空轨道,如Zn2+、Cu2+、Fe3+、Ag+等。
5.基于分子的结构,认识分子的性质(1)分子的空间结构与分子极性的关系
(2)影响物质溶解性的因素①“相似相溶”规律:非极性溶质一般能溶于非极性溶剂,极性溶质一般能溶于极性溶剂。②若存在氢键,则溶剂和溶质之间形成氢键,物质的溶解性增大。
(3)范德华力、氢键、共价键对物质性质的影响
(4)认识手性碳和手性分子①手性碳原子:在有机化合物分子中,连有四个不同基团或原子的碳原子叫做手性碳原子。如有机化合物 中带“*”的碳原子为手性碳原子。②手性分子:有手性异构体的分子叫做手性分子。
[命题角度]角度1共价键及键参数、配位键【典例】 (1)(2022全国甲卷,35节选)聚四氟乙烯的化学稳定性高于聚乙烯,从化学键的角度解释原因 。 (2)(2022全国乙卷,35节选)一氯乙烷(C2H5Cl)、一氯乙烯(C2H3Cl)、一氯乙炔(C2HCl)分子中,C—Cl键长的顺序是 ,理由:(ⅰ)C的杂化轨道中s成分越多,形成的C—Cl键越强;(ⅱ) 。
C—F的键能比C—H的键能大,键能越大,化学性质越稳定
一氯乙烷>一氯乙烯>一氯乙炔
Cl原子参与形成的大π键越多,形成的C—Cl键长越短
(3)(2022湖南卷,18节选)富马酸分子的结构模型如图所示: 。富马酸分子中σ键与π键的数目比为 。 (4)(2021全国乙卷,35节选)三价铬离子能形成多种配位化合物。[Cr(NH3)3(H2O)2Cl]2+中提供电子对形成配位键的原子是 ,中心离子的配位数为 。
2.(2021河北卷,17节选)已知有关氮、磷的单键和三键的键能(kJ·ml-1)如下表:
从能量角度看,氮以N2而白磷以P4(结构式可表示为 )形式存在的原因是 。
N2中N≡N键能较大、分子较稳定;P4中有6个P—P键能较大、较稳定
3.(2022福建泉州模拟)(NH4)2BeF4的阴离子中含有配位键,判断的依据是______________________________________________________________ 。1 ml (NH4)2BeF4晶体中含有的配位键的数目为 。
Be只有2个价电子却形成4个共价键,因此Be必有2个空轨道与F-形成的2个配位键
4NA(或2.408×1024)
角度2分子(或离子)的空间结构与两大理论【典例】 (1)(2022湖南卷,18节选)科学家近期合成了一种固氮酶模型配合物,该物质可以在温和条件下直接活化H2,将N3-转化为 ,反应过程如图所示:
产物中N原子的杂化轨道类型为 。 (2)(2022广东卷,20节选)研究发现,给小鼠喂食适量硒酸钠(Na2SeO4)可减轻重金属铊引起的中毒。 的空间结构为 。
(3)(2021全国甲卷,35节选)SiCl4是生产高纯硅的前驱体,其中Si采取的杂化类型为 。SiCl4可发生水解反应,机理如下:
含s、p、d轨道的杂化类型有:①dsp2、②sp3d、③sp3d2,中间体SiCl4(H2O)中Si采取的杂化类型为 (填标号)。
角度拓展1.(2021河北卷,17节选)已知KH2PO2是次磷酸的正盐,H3PO2的结构式为 ,其中P采取 杂化方式。 2.(2021山东卷,16节选)Xe是第五周期的稀有气体元素,与F形成的XeF2室温下易升华。XeF2中心原子的价层电子对数为 ,下列对XeF2中心原子杂化方式推断合理的是 (填标号)。 A.SpB.sp2C.sp3D.sp3d
3.(2022山东济南模拟)SOCl2中心S原子VSEPR模型为 。1 ml氟硼酸铵(NH4BF4)中含有 ml配位键。
角度3分子的结构与性质【典例】 (1)(2022全国甲卷,35节选)固态氟化氢中存在(HF)n形式,画出(HF)3的链状结构 。 (2)(2022广东卷,20节选)H2Se的沸点低于H2O,其原因是 。
H2O分子间可形成氢键
(3)(2021广东卷,20节选)汞解毒剂的水溶性好,有利于体内重金属元素汞的解毒。化合物Ⅰ与化合物Ⅲ相比,水溶性较好的是 。
角度拓展1.(2021山东卷,16节选)OF2分子的空间结构为 ;OF2的熔、沸点 (填“高于”或“低于”)Cl2O,原因是_______________________________________________________________ 。 2.(2021全国甲卷,35节选)甲醇的沸点(64.7 ℃)介于水(100 ℃)和甲硫醇(CH3SH,7.6 ℃)之间,其原因是 。 3.(2022山东济南模拟)HF分子的极性 (填“大于”“等于”或“小于”,下同)HCl,同一条件下,HF在水中的溶解度 HCl,HF的沸点________ HCl。
OF2和Cl2O都是分子晶体,结构相似,Cl2O的相对分子质量大,范德华力大,故Cl2O的熔、沸点高
甲硫醇不能形成分子间氢键,而水和甲醇均能,且水比甲醇的氢键多
[核心回顾]1.利用“均摊法”进行晶胞结构的相关计算(1)长方体(包括立方体)晶胞中不同位置粒子数的计算
(2)“三棱柱”和“六棱柱”中不同位置粒子数的计算
2.掌握三种典型共价晶体模型及结构特点
3.了解两种典型分子晶体模型及结构特点
4.熟悉四种典型离子晶体模型及结构特点
先判断晶体类型,再分析影响因素及结果5.晶体熔、沸点高低的比较(1)一般情况下,不同类型晶体的熔、沸点高低规律:共价晶体>离子晶体>分子晶体,如金刚石>NaCl>Cl2。(2)共价晶体:成键原子半径越小、键长越短,则键能越大,其熔、沸点越高,如金刚石>石英>碳化硅>晶体硅。(3)离子晶体:阴、阳离子的电荷数越多,离子半径越小,则离子键越强,熔、沸点就越高,如MgO>MgCl2、NaCl>CsCl。(4)金属晶体:金属离子半径越小,离子所带电荷数越多,其形成的金属键越强,金属单质的熔、沸点就越高,如Al>Mg>Na。
形成分子间氢键时,分子晶体的熔、沸点显著升高(5)分子晶体的熔、沸点比较规律①组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,其熔、沸点就越高,如:HI>HBr>HCl;②相对分子质量相等的分子,分子极性越大,其熔、沸点就越高,如:CO>N2。
[命题角度]角度1晶胞的结构及计算【典例】 (1)(2022全国甲卷,35节选)萤石(CaF2)是自然界中常见的含氟矿物,其晶胞结构如图所示,X代表的离子是 ;若该立方晶胞参数为a pm,正负离子的核间距最小为 pm。
(2)(2022湖南卷,18节选)钾、铁、硒可以形成一种超导材料,其晶胞在xz、yz和xy平面投影分别如图所示:①该超导材料的最简化学式为 ; ②Fe原子的配位数为 ; ③该晶胞参数a=b=0.4 nm、c=1.4 nm。阿伏加德罗常数的值为NA,则该晶体的密度为 g·cm-3(列出计算式)。
①若晶胞底边的边长均为a pm、高为c pm,阿伏加德罗常数的值为NA,晶体的密度为 g·cm-3(写出表达式)。
②晶胞在x轴方向的投影图为 (填标号)。
(4)(2021全国乙卷,35节选)在金属材料中添加AlCr2颗粒,可以增强材料的耐腐蚀性、硬度和机械性能。AlCr2具有体心四方结构,如图所示。处于顶角位置的是 原子。设Cr和Al原子半径分别为rCr和rAl,则金属原子空间占有率为 %(列出计算表达式)。
提示 (1)每个晶胞中的X离子位于晶胞的顶点和面心,每个晶胞中分摊4个X离子,Y离子位于晶胞内,共8个,X与Y的离子个数比为1∶2,故X是Ca2+,Y是F-。根据晶胞结构,可将晶胞分成8个相等的小正方体,仔细观察CaF2的晶胞结构,不难发现F-位于晶胞中小立方体的体心,小立方体边长为 a pm,体对角线为 a pm,Ca2+与F-之间的距离就是小晶胞体对角线的一半,因此晶体中正负离子核间距的最小的距离为 a pm。(2)①根据平面投影图可知,该晶胞中K、Fe、Se的原子个数为2、4、4,其最简化学式为KFe2Se2。②Fe原子的配位原子Se位于晶胞体内,故配位数是4。③KFe2Se2的相对分子质量为309;1 ml该晶胞中含2 ml KFe2Se2;晶胞体积是0.4×0.4×1.4×10-21 cm3。
角度拓展1.(2022山东菏泽模拟)GaAs的晶胞结构如图甲所示,将Mn掺杂到GaAs的晶体中得到稀磁性半导体材料如图乙所示。
(1)图甲中,GaAs的相对分子质量为M,晶体密度为ρ g·cm-3,NA表示阿伏加德罗常数的值,则晶胞中距离最近的两个Ga原子间距离为 nm(列出计算式)。 (2)图乙中,掺杂Mn之后,晶体中Mn、Ga、As的原子个数比为 。
2.(2022广东梅州模拟)铜镍合金的立方晶胞结构如图所示:
(1)原子B的分数坐标为 。 (2)若该晶体密度为d g·cm-3,则铜镍原子间最短距离为 pm。
3.(2022广东深圳模拟)具有双钙钛矿型结构的晶体通过掺杂改性可用作固体电解质材料。双钙钛矿型晶体的一种典型结构单元如图所示:
(1)晶体中与La原子距离最近的Ba原子的数目为 。 (2)该晶体的一个完整晶胞中含有 个C原子。
(3)真实的晶体中存在5%的O原子缺陷,从而能让O2-在其中传导,已知La为+3价,则+3价钴与+4价钴的原子个数比为 ;设阿伏加德罗常数的值为NA,则该晶体的密度为_______________________________________________________________ g·cm-3(列出计算式)。
提示 (1)以任一顶点的La原子为例,距离其最近的Ba原子位于该La原子所在棱的另一个顶点,一个La原子被六条棱共用,所以晶体中与La原子距离最近的Ba原子的数目为6。(2)C原子位于结构单元的体心,每个结构单元含有1个C原子,若该结构单元重复排列,则其相邻结构单元的La、Ba原子会与该结构单元中的Ba、La原子重叠,所以该结构单元不是该晶体的晶胞,该晶体的晶胞应是由8个该结构单元构成,则一个完整晶胞中含有8个C原子;
角度2晶体类型及性质【典例】 (1)(2022全国乙卷,35节选)卤化物CsICl2受热发生非氧化还原反应,生成无色晶体X和红棕色液体Y。X为 。解释X的熔点比Y高的原因 。 (2)(2021湖南卷,18节选)硅和卤素单质反应可以得到SiX4,SiX4的熔、沸点如表所示:
0 ℃时,SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4呈液态的是 (填化学式),沸点依次升高的原因是_______________________________________________ 。
CsCl为离子晶体,ICl为分子晶体,所以CsCl的熔点高于Icl
SiX4都是结构相似的分子晶体,相对分子质量依次增大,分子间作用力依次增大
(3)(2021海南卷,19节选)MnS晶胞与NaCl晶胞属于同种类型,前者的熔点明显高于后者,其主要原因是 。
MnS中阴、阳离子所带电荷数比NaCl的多,离子键强度更大
角度拓展1.(2022安徽蚌埠模拟)FeCl3中的化学键具有明显的共价性,蒸气状态下以双聚分子存在,其中Fe的配位数为 ,固态FeCl3的晶体类型为 。 2.(2022北京海淀区模拟)硅、金刚石和碳化硅晶体的熔点从高到低依次为 。
3.(2022福建龙岩模拟)已知铜的某些化合物的熔点如表所示,三者熔点出现差异的原因是_______________________________________________ 。 4.(2022福建福州模拟)C及其同周期同族的三种元素二价氧化物的晶体类型相同,其熔点由高到低的顺序为 (用化学式表示)。
CuO为离子晶体,熔点高,CuS、CuSe的熔点较低为分子晶体,相对分子质量越大,范德华力越大,熔点越高
NiO>CO>FeO
已知Xe—F键长为r pm,则B点原子的分数坐标为 ;晶胞中A、B间距离d= pm。
角度3晶胞中原子分数坐标【典例】 (1)(2021山东卷,16节选)XeF2晶体属四方晶系,晶胞参数如图所示,晶胞棱边夹角均为90°,该晶胞中有 个XeF2分子。以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置,称为原子的分数坐标,如A点原子的分数坐标为 。
(2)(2021海南卷,19节选)MnS晶胞与NaCl晶胞属于同种类型,如图所示。以晶胞参数为单位长度建立坐标系,可以表示晶胞中各原子的位置,称为原子坐标。在晶胞坐标系中,a点硫原子坐标为 点锰原子坐标为(0, ,0),则c点锰原子坐标为 。
角度拓展1.(2022湖南常德模拟)磷化铝熔点为2 000 ℃,与晶体硅结构相似,磷化铝晶胞结构如图所示。(1)磷化铝晶体中磷与铝微粒间的作用力为 ,晶胞中由4个铝原子围成的空间结构是 。 (2)已知相邻的P原子和Al原子的核间距是d nm,B原子的分数坐标为 ,磷化铝晶体的密度为 g·cm-3。
2.(2022山东日照模拟)Cu2S呈黑色或灰黑色,已知:晶胞中S2-的位置如图1所示,Cu+位于S2-所构成的四面体中心,晶胞的侧视图如图2所示。
Cu+填充了晶胞中四面体空隙的百分率是 ,S2-配位数为 。已知图1中A原子的原子分数坐标为(0,0,0),则与A原子距离最近的Cu+的原子分数坐标为 。
——突破一 命题篇——
新教材新高考 物质结构与性质综合应用基于“结构决定性质,性质反映结构”,设置有关物质结构与性质的综合应用类题,考查核外电子排布与元素周期律、分子结构与性质、晶体结构及计算等。利用分类和比较的方法研究物质的结构,分析比较物质性质的差异,归纳总结各类变化的特征及规律等。基于已有模型或构建模型阐释物质结构、化学变化规律或转化过程,分析、解决相关问题。
典例突破1(双选)(2022山东卷,15)Cu2-xSe是一种钠离子电池正极材料,充放电过程中正极材料立方晶胞(示意图)的组成变化如图所示,晶胞内未标出因放电产生的0价Cu原子。下列说法正确的是( )
A.每个Cu2-xSe晶胞中Cu2+个数为xB.每个Na2Se晶胞完全转化为Cu2-xSe晶胞,转移电子数为8C.每个NaCuSe晶胞中0价Cu原子个数为1-xD.当NayCu2-xSe转化为NaCuSe时,每转移(1-y) ml电子,产生(1-x) ml Cu原子
新材料新情境 新型材料的结构及性质新材料 某科学家在《科学》杂志发表论文,介绍了他们在反型钙钛矿太阳能电池研究方面的最新科研成果。钙钛矿晶体为ABX3结构,一般为立方体或八面体结构。在钙钛矿晶体中,B离子位于立方晶胞的中心;A离子位于立方晶胞的顶角,被X离子包围成配位八面体,如图所示。
判断(1)图(a)中,B离子处于6个X离子形成的正八面体中心,则B离子的配位数为6。( )(2)图(b)中,A离子被12个X离子包围,故A离子的配位数为12。( )
典例突破2(2022山东济宁一模)我国科学家在《科学》杂志发表反型钙钛矿太阳能电池研究方面的最新科研成果论文,为钙钛矿电池研究开辟新 方向。(1)Ti的配合物有多种。 的配体所含原子中电负性由大到小的顺序是 (写元素符号)。
(2)反型钙钛矿电池无需使用具有光催化活性的TiO2(通过氮掺杂生成TiO2-aNb,反应如图)以及掺杂的有机空穴传输层,光照下的输出
稳定性更好,更具发展潜力。①TiO2-aNb晶体中a= 。 ②已知原子1、2的分数坐标分别为(0,0, )和(1,0,0),则原子3的坐标为 ;设阿伏加德罗常数的值为NA,TiO2的密度为___________ g·cm-3(列出计算式)。
——突破二 解题篇——
素养命题+题型突破1.原子结构与性质的综合应用(证据推理与模型认知)新高考山东卷、广东卷等在选择题中设置原子结构与性质综合应用题,基于原子核外电子排布规律,构建原子结构等认知模型,建立重要证据及推理过程,从原子结构视角说明元素的性质(原子或离子半径大小顺序、电离能和电负性、金属性或非金属性强弱等)递变规律;根据物质的微观结构说明或预测物质的性质,并采用模型、符号等多种方式对原子结构与性质进行综合表征。
典例突破1(2021天津卷,19)元素X、Y、Z、Q、R的原子序数依次增大且小于20,其原子半径和最外层电子数之间的关系如图所示。下列判断正确的是( )
A.X的电负性比Q的大B.Q的简单离子半径比R的大C.Z的简单气态氢化物的热稳定性比Q的强D.Y的最高价氧化物对应的水化物的碱性比R的强
答案 B解析 X、Y、Z、Q、R的原子序数依次增大且小于20,由题图中最外层电子数和原子半径的关系可知,X为C、Y为Na、Z为S、Q为Cl、R为K。C的电负性比Cl的小,A错误;核外电子数相同时质子数越大半径越小,故Q的简单离子半径比R的大,B正确;同周期元素,原子序数越大非金属性越强,则简单氢化物更稳定,则Z的简单气态氢化物的热稳定性比Q的弱,C错误;同主族元素,原子序数越大金属性越强,则最高价氧化物对应水化物的碱性越强,则Y的最高价氧化物对应的水化物的碱性比R的弱,D错误。
方法点拨 (1)解答此类问题的关键是结合题给信息正确推断未知元素,再以“结构决定性质”为指导,结合同周期(或主族)元素性质的递变规律,进行分析、判断。
(2)短周期元素原子与成键数目的关系如表:
针对训练1(2022山东临沂一模)短周期主族元素W、X、Y、Z的原子序数依次增大,其中Z的内层电子数是X最外层电子数的2倍;基态Y原子的s轨道电子数与p轨道电子数相等;由这四种元素组成的某种物质常用作消毒漂白剂,其结构式如图所示。下列说法正确的是( )A.原子半径:Y>X>WB.简单氢化物的沸点:Z>Y>XC.W与Y、Z均可形成含极性键的非极性分子D.同周期中第一电离能小于Y的元素有5种
答案 C解析 四种元素原子序数依次增大,且属于短周期元素,基态Y原子的s轨道电子数与p轨道电子数相等,电子排布式可能为1s22s22p4或1s22s22p63s2,Y可能为O或Mg,根据结构式,Y只能为O。Z的内层电子数是X最外层电子数的2倍,根据核外电子排布规律,Z的内层电子数可能为2,也可能为10,如果为2,则X最外层电子数为1,不符合题意,Z的内层电子数只能为10,X的最外层电子数为5,即X为N,Z位于第三周期,根据结构式,Z形成一个共价键,即Z为Cl,W形成四个共价键,即W为C。同周期从左向右原子半径依次减小(稀有气体除外),原子半径的大小顺序是C>N>O,A错误;
X、Y、Z的简单氢化物分别为NH3、H2O、HCl,NH3和H2O存在分子间氢键,HCl不存在分子间氢键,则HCl沸点最小,H2O分子间氢键比HF分子间氢键多,则H2O的沸点高于NH3,即沸点:H2O>NH3>HCl,B错误;C与O形成CO2,C与Cl形成CCl4,CO2、CCl4是由极性键构成的非极性分子,C正确;同周期元素的第一电离能从左向右呈逐渐增大的趋势,但第ⅡA族>第ⅢA族,第ⅤA族>第ⅥA族,同周期中第一电离能比O元素小的元素有Li、Be、B、C,共有4种,D错误。
2.分子结构与性质的综合应用(证据推理与模型认知)新高考山东卷、海南卷等在选择题中设置分子结构与性质的综合应用题,根据给定的信息分析常见简单分子的空间结构,利用相关理论(价层电子对互斥模型、杂化轨道理论)解释简单的共价分子的空间结构,根据分子的结构特点和键的极性判断分子的极性及是否具有手性,并据此对分子的一些典型性质(熔点、沸点、溶解性等)和应用作出解释。
典例突破2(2021山东卷,9)关于CH3OH、N2H4和(CH3)2NNH2的结构与性质,下列说法错误的是( )A.CH3OH为极性分子B.N2H4空间结构为平面形C.N2H4的沸点高于(CH3)2NNH2D.CH3OH和(CH3)2NNH2中C、O、N杂化方式均相同
答案 B解析 甲醇可看成是甲烷中的一个氢原子被羟基取代得到的,为四面体结构,是由极性键构成的极性分子,A正确;N2H4中N原子的杂化方式为sp3,空间结构不是平面形,B错误;N2H4分子中连接N原子的H原子多,存在氢键的数目多,而偏二甲肼[(CH3)2NNH2]只有一端可以形成氢键,另一端的两个甲基基团比较大,影响了分子的排列,沸点比N2H4的低,C正确;CH3OH为四面体结构,—OH结构类似于水的结构,(CH3)2NNH2的结构简式为 ,两者分子中C、O、N杂化方式均为sp3,D正确。
方法点拨解答此类问题的关键是分析分子的空间结构、含有的共价键、分子的对称性等,基于此推测分子的性质(如极性、沸点、溶解性、手性等)。
3.晶体结构与性质的综合应用(证据推理与模型认知)新高考辽宁卷、湖北卷等在选择题中设置晶体结构与性质综合应用题,借助分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体等模型说明晶体中的微粒及其微粒间的相互作用,从原子、分子、超分子、聚集状态等不同角度认识物质结构特点及其与物质性质之间的关系;从构成微粒、微粒间相互作用、微粒的空间排布规律等角度分析不同类型晶体结构的特点、相似性和差异性。
典例突破3(2021辽宁卷,7)单质硫和氢气在低温高压下可形成一种新型超导材料,其晶胞如图。下列说法错误的是( )A.S位于元素周期表p区B.该物质的化学式为H3SC.S位于H构成的八面体空隙中D.该晶体属于分子晶体
S位于H构成的八面体空隙中,如图所示 ,C正确;由于该晶体是一种新型超导材料,说明其是由阴、阳离子构成的,故该晶体属于离子晶体,D错误。
方法点拨解答此类问题的关键是分析晶胞结构特点,确定各微粒在晶胞中的相对位置,结合“均摊法”确定晶体的化学式,结合晶体中微粒间的相互作用,推测晶体的性质等。
针对训练3(2022辽宁抚顺一模)铜和氧形成的一种离子化合物晶胞、C60晶胞如图所示,下列说法错误的是( )
A.铜和氧形成的离子化合物,铜离子的电荷数为+1B.C60晶体采用的是分子密堆积方式,与每个C60距离最近且等距离的C60有12个C.C60和石墨的晶体类型相同,都能导电D.晶体的熔点:石墨>C60
答案 C解析 由离子化合物晶胞可知,每个晶胞含有4个Cu原子,O原子个数为1+8× =2,Cu、O原子个数比为2∶1,则该离子化合物的化学式为Cu2O,铜离子的电荷数为+1,A正确;以C60晶胞顶角的C60分子为研究对象,与其距离最近且等距离的C60处于面心的位置,其数目为3×4=12,B正确;C60属于分子晶体,不能导电,石墨属于混合型晶体,能导电,C错误;石墨属于混合型晶体,具有很高的熔点,C60晶体属于分子晶体,熔点较低,故晶体的熔点:石墨>C60,D正确。
——突破三 热点专攻——
物质结构与性质综合题高考必备1.命题分析近三年,物质结构与性质综合题是高考热点题型之一,大多以某种新材料、催化剂、新药物等为命题载体,综合考查原子核外电子排布(核外电子排布式、价电子排布式、轨道表示式)、元素周期律(原子半径、电离能、电负性)、共价键(σ键和π键)、分子(或离子)的空间结构、中心原子的杂化类型、分子的结构与性质(极性、溶解性、手性)、范德华力和氢键对物质性质的影响、晶胞结构及计算、晶体的性质(熔点等)及分析等,突出考查考生的综合分析判断能力、逻辑推理能力、简单计算能力。
2.原子结构与性质的考查点
3.分子结构与性质的考查点
4.晶体结构与性质的考查点
真题感悟1.(2022山东卷,16)研究笼形包合物结构和性质具有重要意义。化学式为Ni(CN)x·Zn(NH3)y·zC6H6的笼形包合物四方晶胞结构如图所示(H原子未画出),每个苯环只有一半属于该晶胞。晶胞参数为a=b≠c,α=β=γ=90°。
回答下列问题:(1)基态Ni原子的价电子排布式为 ,在元素周期表中位置为 。
(2)晶胞中N原子均参与形成配位键,Ni2+与Zn2+的配位数之比为 ;x∶y∶z= ;晶胞中有d轨道参与杂化的金属离子是 。 (3)吡啶( )替代苯也可形成类似的笼形包合物。已知吡啶中含有与苯类似的 大π键,则吡啶中N原子的价层孤电子对占据 (填字母)。 A.2s轨道 B.2p轨道C.sp杂化轨道D.sp2杂化轨道
(4)在水中的溶解度,吡啶远大于苯,主要原因是① , ② 。
答案 (1)3d84s2 第四周期第Ⅷ族(2)2∶3 2∶1∶1 Zn2+ (3)D(4)①吡啶分子能与水分子形成分子间氢键 ②吡啶分子和H2O分子均为极性分子,相似相溶,而苯分子为非极性分子
解析 本题考查物质结构与性质,内容包括价电子排布式、配位数、杂化方式、大π键、溶解度、电子云密度。(1)Ni是28号元素,故基态Ni原子的价电子排布式为3d84s2,在元素周期表中位置为第四周期第Ⅷ族。(2)由晶胞结构示意图可知,一个晶胞中含有Ni2+个数为2× =1,Zn2+个数为8× =1,含有CN-为8× =4,NH3个数为8× =2,苯环个数为4× =2,则该晶胞的化学式为Ni(CN)4·Zn(NH3)2·2C6H6,且晶胞中每个N原子均参与形成配位键,Ni2+周围形成的配位键数目为4,Zn2+周围形成的配位键数目为6,则Ni2+与Zn2+的配位数之比为4∶6=2∶3,x∶y∶z=4∶2∶2=2∶1∶1;由以上分析可知,Ni2+的配位数为4,则Ni2+采用sp3杂化,而Zn2+的配位数为6,Zn2+采用sp3d2杂化,即晶胞中有d轨道参与杂化的金属离子是Zn2+。
(3)吡啶( )替代苯也可形成类似的笼形包合物。已知吡啶中含有与苯类似的 大π键,则说明吡啶中N原子也是采用sp2杂化,杂化轨道只用于形成σ键或容纳孤电子对,即吡啶中N原子的价层孤电子对占据sp2杂化轨道。(4)已知苯分子为非极性分子,H2O分子为极性分子,吡啶分子为极性分子,且吡啶分子中N原子上含有孤电子对能与水分子形成分子间氢键,从而导致在水中的溶解度吡啶远大于苯。
2.(2021福建卷,14)类石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种新型光催化材料,在光解水产氢等领域具有广阔的应用前景,研究表明,非金属掺杂(O、S等)能提高其光催化活性。g-C3N4具有和石墨相似的层状结构,其中一种二维平面结构如图所示。
回答下列问题:(1)基态C原子的成对电子数与未成对电子数之比为 。 (2)N、O、S的第一电离能(I1)大小为I1(N)>I1(O)>I1(S),原因是 。 (3)g-C3N4晶体中存在的微粒间作用力有 (填字母)。 a.非极性键b.金属键c.π键d.范德华力(4)g-C3N4中,C原子的杂化轨道类型为 ,N原子的配位数为 。 (5)每个基本结构单元(图中实线圈部分)中两个N原子(图中虚线圈所示)被O原子代替,形成O原子掺杂的g-C3N4(OPCN),OPCN的化学式为 。
答案 (1)2∶1 (2)N原子2p轨道半充满,比相邻的O原子更稳定,更难失电子;O、S属于同主族元素,S原子半径大于O原子,更易失去电子 (3)cd (4)sp2 2、3 (5)C3N3O解析 (1)基态C原子的核外电子排布式为1s22s22p2,2p轨道上有2个未成对电子,则成对电子数与未成对电子数之比为4∶2=2∶1。(2)N和O处于同一周期且相邻,由于N的2p轨道处于半充满的稳定状态,较难失去电子,则I1(N)>I1(O);O、S元素处于同主族,S原子半径大于O原子半径,S原子对最外层电子的吸引力小于O原子,则有I1(O)>I1(S)。(3)g-C3N4具有和石墨相似的层状结构,由二维平面结构可知,C和N原子均采取sp2杂化,C和N原子之间形成极性键,未参与杂化的2p轨道相互平行重叠,形成π键,层与层之间存在范德华力。
(4)g-C3N4的层状结构中,N原子的成键方式有2种,形成2个C—N或3个C—N,故N的配位数为2、3。(5)从基本结构单元分析得知,N原子的成键有连两个C原子和连三个C原子的两种情况,连两个C原子的N原子完全属于该基本结构单元,连三个C原子的N原子处在中心的完全属于该基本结构单元,处在3个“顶点”上的属于三个基本结构单元,故一个基本结构单元含有6个C原子和7+ ×3=8个N原子;将题图中虚线圈所示的N原子用O原子代替,则O原子完全属于该基本结构单元,故该基本结构单元含有6个C原子、6个N原子、2个O原子,其比值为3∶3∶1,则OPCN的化学式为C3N3O。
方法点拨1.有关晶胞的三种计算(1)计算晶体密度的方法
(a表示晶胞边长,ρ表示密度,NA表示阿伏加德罗常数的数值,n表示1 ml晶胞所含基本粒子或特定组合的物质的量,M表示摩尔质量)。
(2)计算晶体中微粒间距离的方法
2.“四步法”突破物质结构与性质综合题
考向预测1.(信息型的物质结构与性质综合题)(2022河北邯郸一模)镍铜合金是由60%镍、33%铜、6.5%铁三种金属组成的合金材料。镍铜合金有较好的室温力学性能,耐腐蚀性好,耐磨性好,容易加工,无磁性,是制造电子管较好的结构材料。请回答下列问题:(1)基态Cu的价电子轨道表示式为 。 (2)O与Cu形成的化合物为Cu2O,Cu与S形成的化合物为Cu2S,Cu2O的熔点比Cu2S的 (填“低”“高”或“无法确定”)。
(3)Cu可以形成一种离子化合物[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4,若要确定该物质是晶体还是非晶体,最科学的方法是对它进行 实验;其阴离子的空间结构是 ;加热该物质时,首先失去的是H2O分子,原因是 。 (4)甲基丙烯酸铜是一种重要的有机铜试剂,其结构为 。此有机铜试剂中,C原子的杂化类型有 ,1 ml此有机铜试剂中含有σ键的物质的量为 ml。
(5)Cu的化合物种类有很多,Cl与Cu形成的化合物的立方晶胞结构如图所示,已知立方晶胞的边长为a cm,则Cu+与Cl-形成的化合物的密度ρ= (NA表示阿伏加德罗常数的值,用含a、NA的代数式表示) g·cm-3。
(3)X射线衍射 正四面体形 O的电负性比N的强,对孤电子对的吸引力更强,H2O与Cu2+的配位键比NH3与Cu2+的配位键弱
解析 (2)Cu2O和Cu2S是离子晶体,其中r(O2-)
(5)F的化合物种类很多,如图为D与F形成化合物的立方晶胞,其中离子坐标参数为a(0,0,0)、b(1,0,1)、c(1,1,2)、d(2,1,1)。则e点的D-的坐标参数为 。
答案 (1)1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1(2)铜失去的是全充满的3d10电子,镍失去的是4s1电子
[核心回顾]1.明确微粒间“三个”数量关系中性原子:核电荷数=质子数=核外电子数=原子序数阴离子:核外电子数=质子数+所带的电荷数阳离子:核外电子数=质子数-所带的电荷数微点拨:阴、阳离子电子层结构相同时,阴离子对应元素处于上一周期,阳离子对应元素处于下一周期。
2.明确基态原子核外电子排布的四种方法
3.理解基态原子(或离子)核外电子排布的三原则书写轨道表示式时,要先考虑洪特规则,后考虑泡利原理(1)泡利原理①在一个原子轨道中,最多只能容纳2个电子,它们的自旋相反;②根据泡利原理,同一个原子中没有运动状态完全相同的电子;③原子中不同运动状态的电子种类=原子核外电子总数。(2)洪特规则①基态原子中,填入兼并轨道的电子总是先单独分占,且自旋平行;②兼并轨道也叫等价轨道,是指能量相同的原子轨道;③多电子原子中同一能级的原子轨道能量相同,如2px、2py、2pz等。
(3)能量最低原理①在构建基态原子时,电子将尽可能地占据能量最低的原子轨道,使整个原子的能量最低;②“能量最低的原子轨道”指的是电子填入后使整个原子能量达到最低的轨道;③“能量最低原理”就是电子在原子轨道上的分布要使整个原子的能量最低;④整个原子的能量由核电荷数、电子数和电子状态三个因素共同决定,比较复杂。
[命题角度]角度1基态原子(或离子)的核外电子排布【典例】 (1)(2022湖南卷,18节选)基态Se原子的核外电子排布式为[Ar] 。 (2)(2022全国甲卷,35节选)基态F原子的价电子排布图(轨道表示式)为 。 (3)(2022全国乙卷,35节选)氟原子激发态的电子排布式有 ,其中能量较高的是 (填字母)。 a.1s22s22p43s1b.1s22s22p43d2 c.1s22s12p5 d.1s22s22p33p2(4)[2021福建卷,14节选]基态碳原子的成对电子数与未成对电子数之比为 。
3d104s24p4
角度拓展1.(2022河北唐山模拟)基态镓的核外电子占据的最高能层符号为 ,能量最高的电子占据的原子轨道电子云轮廓为 形。 2.(2022湖南长沙模拟)在KH2PO4的四种组成元素各自所能形成的简单离子中,核外电子排布式相同的是 (填离子符号)。 3.(2022辽宁本溪模拟)基态Ni2+核外电子排布式为 ;同周期中,与基态Ni具有相同未成对电子数的元素有 (填元素符号)。
[Ar]3d8(或1s22s22p63s23p63d8)
4.(2022山东济宁模拟)基态钛原子的px原子轨道上的电子数为 。 5.基态铜原子的价层电子排布式为 。 6.Cd与Zn同族且相邻,若基态Cd原子将次外层1个d电子激发进入最外层的np能级,则该激发态原子的价层电子排布式为 。Cd原子中第一电离能相对较大的是 (填“基态”或“激发态”)原子。 7.基态钛原子的价层电子的轨道表示式为 ,与钛同周期的过渡元素中,基态原子的成对电子数与钛相同的有 种。
角度2基态原子(或离子)核外电子的运动状态【典例】 (1)(2021山东卷,16节选)基态F原子核外电子的运动状态有 种。 (2)(2021河北卷,17节选)原子中运动的电子有两种相反的自旋状态,若一种自旋状态用+ 表示,与之相反的用- 表示,称为电子的自旋磁量子数。对于基态的磷原子,其价电子自旋磁量子数的代数和为 。
角度拓展1.(2022山东滨州模拟)基态碳原子核外电子的运动状态有 种,核外电子的空间运动状态有 种。 2.(2022湖北咸宁模拟)在元素周期表中,与Li的化学性质最相似的邻族元素是 ,该元素基态原子核外M层电子的自旋状态 (填“相同”或“相反”)。 3.(2022辽宁铁岭模拟)处于一定空间运动状态的电子在原子核外出现的概率密度分布可用 形象化描述。在基态 原子中,核外存在 对自旋相反的电子。
[核心回顾] 1.熟悉元素周期表的结构及分区
2.掌握元素的金属性和非金属性强弱的判断方法
3.熟记同周期(主族)元素原子结构和元素性质的变化规律
[命题角度]角度1元素周期表的结构与分区【典例】 (1)(2021广东卷,20节选)汞的原子序数为80,位于元素周期表第 周期第ⅡB族。 (2)(2021辽宁卷,16节选)Cr元素位于元素周期表第 周期第 族。 (3)(2021湖北卷,16节选)硒(Se)与硫为同族元素,Se的最外层电子数为 ;镓(Ga)和铟(In)位于元素周期表第ⅢA族,中Cu的化合价为 。
角度拓展1.(2022北京石景山区模拟)铁元素在元素周期表中的位置是 ,属于 (填“s”“d”“ds”或“p”)区。 2.(2022北京朝阳区模拟)铜—镍镀层能增强材料的耐蚀性。按照核外电子排布,把元素周期表划分为5个区,Ni位于 区。 3.(2022重庆育才中学诊断)Pt的电子排布式为[Xe]4f145d96s1,则Pt在元素周期表中的位置是 ,处于 区。
角度2元素周期律及应用【典例】 (1)(2022湖南卷,18节选)富马酸亚铁(FeC4H2O4)是一种补铁剂。富马酸分子的结构模型如图所示: 。富马酸亚铁中各元素的电负性由大到小的顺序为 。
(2)(2022全国甲卷,35节选)图a、b、c分别表示C、N、O和F的逐级电离能I变化趋势(纵坐标的标度不同)。第一电离能的变化图是 (填标号),判断的根据是_________________________________________________________________________________________________________________ ;第三电离能的变化图是 (填标号)。
同一周期从左到右,原子半径依次减小,基态原子第一电离能呈增大趋势,但由于氮原子2p能级半充满,失电子相对较难,第一电离能大于C、
(3)元素Cu与Ni的第二电离能分别为1 959 kJ·ml-1、1 753 kJ·ml-1, I2(Ni)
角度拓展1.(2021山东卷,16节选)O、F、Cl电负性由大到小的顺序为 。 2.(2021海南卷,19节选)第一电离能的大小:C (填“大于”或“小于”)O。 3.(2022河北名校联盟联考)KBe2BO3F2的组成元素中,非金属元素的电负性由强到弱的顺序为 (填元素符号),基态原子的第一电离能:Be (填“>”或“<”)B。
4.(2022广东深圳第二次调研)Br、I的第一电离能的大小关系:I1(Br) (填“大于”“小于”或“等于”)I1(I)。 5.(2022广东肇庆模拟)Ga、As、Se 3种元素的第一电离能由大到小的顺序为 。 6.(2022广东梅州第一次质检)[Cu(NH3)4]CO3中所含元素中电负性最大的非金属元素是 (填元素符号)。
[核心回顾]1.共价键的类型和键参数的应用(1)判断σ键、π键的两种方法
(2)大Π键的形成及表示①所有参与离域Π键的原子都必须提供与相邻原子p轨道相互平行或接近平行的p轨道;②离域Π键符号可用 表示,其中m为平行的p轨道总数(即参与形成大Π键的原子数),n为平行p轨道里的电子总数。
2.价层电子对互斥模型及其应用(1)价层电子对互斥模型反映价层电子对的空间结构,而分子(或离子)的空间结构仅是成键电子对的空间结构,不包括孤电子对。
(2)电子对之间排斥力对键角的影响
微点拨:用价层电子对互斥理论判断分子的空间结构时,不仅要考虑中心 原子的孤电子对所占据的空间,还要考虑孤电子对对成键电子对的排斥力大小。
3.杂化轨道理论与分子(或离子)的空间结构(1)杂化轨道理论的要点当原子成键时,原子的价电子轨道相互混杂,形成与原轨道数相等且能量相同的杂化轨道。杂化轨道数不同,轨道间的夹角不同,形成分子的空间结构不同。
(2)中心原子杂化类型和分子(或离子)空间结构的相互判断
4.正确理解配位键和配位化合物(1)配位键的形成和表示①配位键的形成:成键原子一方提供孤电子对,另一方提供空轨道形成的共价键;②配位键的表示:常用“A—B”来表示配位键,A提供孤电子对,B提供空轨道。(2)配合物的组成和结构{以[Zn(NH3)4]SO4为例}配位体必须有孤电子对,如H2O、NH3、CO、F-、Cl-、CN-等。中心离子(或原子)有空轨道,如Zn2+、Cu2+、Fe3+、Ag+等。
5.基于分子的结构,认识分子的性质(1)分子的空间结构与分子极性的关系
(2)影响物质溶解性的因素①“相似相溶”规律:非极性溶质一般能溶于非极性溶剂,极性溶质一般能溶于极性溶剂。②若存在氢键,则溶剂和溶质之间形成氢键,物质的溶解性增大。
(3)范德华力、氢键、共价键对物质性质的影响
(4)认识手性碳和手性分子①手性碳原子:在有机化合物分子中,连有四个不同基团或原子的碳原子叫做手性碳原子。如有机化合物 中带“*”的碳原子为手性碳原子。②手性分子:有手性异构体的分子叫做手性分子。
[命题角度]角度1共价键及键参数、配位键【典例】 (1)(2022全国甲卷,35节选)聚四氟乙烯的化学稳定性高于聚乙烯,从化学键的角度解释原因 。 (2)(2022全国乙卷,35节选)一氯乙烷(C2H5Cl)、一氯乙烯(C2H3Cl)、一氯乙炔(C2HCl)分子中,C—Cl键长的顺序是 ,理由:(ⅰ)C的杂化轨道中s成分越多,形成的C—Cl键越强;(ⅱ) 。
C—F的键能比C—H的键能大,键能越大,化学性质越稳定
一氯乙烷>一氯乙烯>一氯乙炔
Cl原子参与形成的大π键越多,形成的C—Cl键长越短
(3)(2022湖南卷,18节选)富马酸分子的结构模型如图所示: 。富马酸分子中σ键与π键的数目比为 。 (4)(2021全国乙卷,35节选)三价铬离子能形成多种配位化合物。[Cr(NH3)3(H2O)2Cl]2+中提供电子对形成配位键的原子是 ,中心离子的配位数为 。
2.(2021河北卷,17节选)已知有关氮、磷的单键和三键的键能(kJ·ml-1)如下表:
从能量角度看,氮以N2而白磷以P4(结构式可表示为 )形式存在的原因是 。
N2中N≡N键能较大、分子较稳定;P4中有6个P—P键能较大、较稳定
3.(2022福建泉州模拟)(NH4)2BeF4的阴离子中含有配位键,判断的依据是______________________________________________________________ 。1 ml (NH4)2BeF4晶体中含有的配位键的数目为 。
Be只有2个价电子却形成4个共价键,因此Be必有2个空轨道与F-形成的2个配位键
4NA(或2.408×1024)
角度2分子(或离子)的空间结构与两大理论【典例】 (1)(2022湖南卷,18节选)科学家近期合成了一种固氮酶模型配合物,该物质可以在温和条件下直接活化H2,将N3-转化为 ,反应过程如图所示:
产物中N原子的杂化轨道类型为 。 (2)(2022广东卷,20节选)研究发现,给小鼠喂食适量硒酸钠(Na2SeO4)可减轻重金属铊引起的中毒。 的空间结构为 。
(3)(2021全国甲卷,35节选)SiCl4是生产高纯硅的前驱体,其中Si采取的杂化类型为 。SiCl4可发生水解反应,机理如下:
含s、p、d轨道的杂化类型有:①dsp2、②sp3d、③sp3d2,中间体SiCl4(H2O)中Si采取的杂化类型为 (填标号)。
角度拓展1.(2021河北卷,17节选)已知KH2PO2是次磷酸的正盐,H3PO2的结构式为 ,其中P采取 杂化方式。 2.(2021山东卷,16节选)Xe是第五周期的稀有气体元素,与F形成的XeF2室温下易升华。XeF2中心原子的价层电子对数为 ,下列对XeF2中心原子杂化方式推断合理的是 (填标号)。 A.SpB.sp2C.sp3D.sp3d
3.(2022山东济南模拟)SOCl2中心S原子VSEPR模型为 。1 ml氟硼酸铵(NH4BF4)中含有 ml配位键。
角度3分子的结构与性质【典例】 (1)(2022全国甲卷,35节选)固态氟化氢中存在(HF)n形式,画出(HF)3的链状结构 。 (2)(2022广东卷,20节选)H2Se的沸点低于H2O,其原因是 。
H2O分子间可形成氢键
(3)(2021广东卷,20节选)汞解毒剂的水溶性好,有利于体内重金属元素汞的解毒。化合物Ⅰ与化合物Ⅲ相比,水溶性较好的是 。
角度拓展1.(2021山东卷,16节选)OF2分子的空间结构为 ;OF2的熔、沸点 (填“高于”或“低于”)Cl2O,原因是_______________________________________________________________ 。 2.(2021全国甲卷,35节选)甲醇的沸点(64.7 ℃)介于水(100 ℃)和甲硫醇(CH3SH,7.6 ℃)之间,其原因是 。 3.(2022山东济南模拟)HF分子的极性 (填“大于”“等于”或“小于”,下同)HCl,同一条件下,HF在水中的溶解度 HCl,HF的沸点________ HCl。
OF2和Cl2O都是分子晶体,结构相似,Cl2O的相对分子质量大,范德华力大,故Cl2O的熔、沸点高
甲硫醇不能形成分子间氢键,而水和甲醇均能,且水比甲醇的氢键多
[核心回顾]1.利用“均摊法”进行晶胞结构的相关计算(1)长方体(包括立方体)晶胞中不同位置粒子数的计算
(2)“三棱柱”和“六棱柱”中不同位置粒子数的计算
2.掌握三种典型共价晶体模型及结构特点
3.了解两种典型分子晶体模型及结构特点
4.熟悉四种典型离子晶体模型及结构特点
先判断晶体类型,再分析影响因素及结果5.晶体熔、沸点高低的比较(1)一般情况下,不同类型晶体的熔、沸点高低规律:共价晶体>离子晶体>分子晶体,如金刚石>NaCl>Cl2。(2)共价晶体:成键原子半径越小、键长越短,则键能越大,其熔、沸点越高,如金刚石>石英>碳化硅>晶体硅。(3)离子晶体:阴、阳离子的电荷数越多,离子半径越小,则离子键越强,熔、沸点就越高,如MgO>MgCl2、NaCl>CsCl。(4)金属晶体:金属离子半径越小,离子所带电荷数越多,其形成的金属键越强,金属单质的熔、沸点就越高,如Al>Mg>Na。
形成分子间氢键时,分子晶体的熔、沸点显著升高(5)分子晶体的熔、沸点比较规律①组成和结构相似的分子晶体,相对分子质量越大,其熔、沸点就越高,如:HI>HBr>HCl;②相对分子质量相等的分子,分子极性越大,其熔、沸点就越高,如:CO>N2。
[命题角度]角度1晶胞的结构及计算【典例】 (1)(2022全国甲卷,35节选)萤石(CaF2)是自然界中常见的含氟矿物,其晶胞结构如图所示,X代表的离子是 ;若该立方晶胞参数为a pm,正负离子的核间距最小为 pm。
(2)(2022湖南卷,18节选)钾、铁、硒可以形成一种超导材料,其晶胞在xz、yz和xy平面投影分别如图所示:①该超导材料的最简化学式为 ; ②Fe原子的配位数为 ; ③该晶胞参数a=b=0.4 nm、c=1.4 nm。阿伏加德罗常数的值为NA,则该晶体的密度为 g·cm-3(列出计算式)。
①若晶胞底边的边长均为a pm、高为c pm,阿伏加德罗常数的值为NA,晶体的密度为 g·cm-3(写出表达式)。
②晶胞在x轴方向的投影图为 (填标号)。
(4)(2021全国乙卷,35节选)在金属材料中添加AlCr2颗粒,可以增强材料的耐腐蚀性、硬度和机械性能。AlCr2具有体心四方结构,如图所示。处于顶角位置的是 原子。设Cr和Al原子半径分别为rCr和rAl,则金属原子空间占有率为 %(列出计算表达式)。
提示 (1)每个晶胞中的X离子位于晶胞的顶点和面心,每个晶胞中分摊4个X离子,Y离子位于晶胞内,共8个,X与Y的离子个数比为1∶2,故X是Ca2+,Y是F-。根据晶胞结构,可将晶胞分成8个相等的小正方体,仔细观察CaF2的晶胞结构,不难发现F-位于晶胞中小立方体的体心,小立方体边长为 a pm,体对角线为 a pm,Ca2+与F-之间的距离就是小晶胞体对角线的一半,因此晶体中正负离子核间距的最小的距离为 a pm。(2)①根据平面投影图可知,该晶胞中K、Fe、Se的原子个数为2、4、4,其最简化学式为KFe2Se2。②Fe原子的配位原子Se位于晶胞体内,故配位数是4。③KFe2Se2的相对分子质量为309;1 ml该晶胞中含2 ml KFe2Se2;晶胞体积是0.4×0.4×1.4×10-21 cm3。
角度拓展1.(2022山东菏泽模拟)GaAs的晶胞结构如图甲所示,将Mn掺杂到GaAs的晶体中得到稀磁性半导体材料如图乙所示。
(1)图甲中,GaAs的相对分子质量为M,晶体密度为ρ g·cm-3,NA表示阿伏加德罗常数的值,则晶胞中距离最近的两个Ga原子间距离为 nm(列出计算式)。 (2)图乙中,掺杂Mn之后,晶体中Mn、Ga、As的原子个数比为 。
2.(2022广东梅州模拟)铜镍合金的立方晶胞结构如图所示:
(1)原子B的分数坐标为 。 (2)若该晶体密度为d g·cm-3,则铜镍原子间最短距离为 pm。
3.(2022广东深圳模拟)具有双钙钛矿型结构的晶体通过掺杂改性可用作固体电解质材料。双钙钛矿型晶体的一种典型结构单元如图所示:
(1)晶体中与La原子距离最近的Ba原子的数目为 。 (2)该晶体的一个完整晶胞中含有 个C原子。
(3)真实的晶体中存在5%的O原子缺陷,从而能让O2-在其中传导,已知La为+3价,则+3价钴与+4价钴的原子个数比为 ;设阿伏加德罗常数的值为NA,则该晶体的密度为_______________________________________________________________ g·cm-3(列出计算式)。
提示 (1)以任一顶点的La原子为例,距离其最近的Ba原子位于该La原子所在棱的另一个顶点,一个La原子被六条棱共用,所以晶体中与La原子距离最近的Ba原子的数目为6。(2)C原子位于结构单元的体心,每个结构单元含有1个C原子,若该结构单元重复排列,则其相邻结构单元的La、Ba原子会与该结构单元中的Ba、La原子重叠,所以该结构单元不是该晶体的晶胞,该晶体的晶胞应是由8个该结构单元构成,则一个完整晶胞中含有8个C原子;
角度2晶体类型及性质【典例】 (1)(2022全国乙卷,35节选)卤化物CsICl2受热发生非氧化还原反应,生成无色晶体X和红棕色液体Y。X为 。解释X的熔点比Y高的原因 。 (2)(2021湖南卷,18节选)硅和卤素单质反应可以得到SiX4,SiX4的熔、沸点如表所示:
0 ℃时,SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4呈液态的是 (填化学式),沸点依次升高的原因是_______________________________________________ 。
CsCl为离子晶体,ICl为分子晶体,所以CsCl的熔点高于Icl
SiX4都是结构相似的分子晶体,相对分子质量依次增大,分子间作用力依次增大
(3)(2021海南卷,19节选)MnS晶胞与NaCl晶胞属于同种类型,前者的熔点明显高于后者,其主要原因是 。
MnS中阴、阳离子所带电荷数比NaCl的多,离子键强度更大
角度拓展1.(2022安徽蚌埠模拟)FeCl3中的化学键具有明显的共价性,蒸气状态下以双聚分子存在,其中Fe的配位数为 ,固态FeCl3的晶体类型为 。 2.(2022北京海淀区模拟)硅、金刚石和碳化硅晶体的熔点从高到低依次为 。
3.(2022福建龙岩模拟)已知铜的某些化合物的熔点如表所示,三者熔点出现差异的原因是_______________________________________________ 。 4.(2022福建福州模拟)C及其同周期同族的三种元素二价氧化物的晶体类型相同,其熔点由高到低的顺序为 (用化学式表示)。
CuO为离子晶体,熔点高,CuS、CuSe的熔点较低为分子晶体,相对分子质量越大,范德华力越大,熔点越高
NiO>CO>FeO
已知Xe—F键长为r pm,则B点原子的分数坐标为 ;晶胞中A、B间距离d= pm。
角度3晶胞中原子分数坐标【典例】 (1)(2021山东卷,16节选)XeF2晶体属四方晶系,晶胞参数如图所示,晶胞棱边夹角均为90°,该晶胞中有 个XeF2分子。以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置,称为原子的分数坐标,如A点原子的分数坐标为 。
(2)(2021海南卷,19节选)MnS晶胞与NaCl晶胞属于同种类型,如图所示。以晶胞参数为单位长度建立坐标系,可以表示晶胞中各原子的位置,称为原子坐标。在晶胞坐标系中,a点硫原子坐标为 点锰原子坐标为(0, ,0),则c点锰原子坐标为 。
角度拓展1.(2022湖南常德模拟)磷化铝熔点为2 000 ℃,与晶体硅结构相似,磷化铝晶胞结构如图所示。(1)磷化铝晶体中磷与铝微粒间的作用力为 ,晶胞中由4个铝原子围成的空间结构是 。 (2)已知相邻的P原子和Al原子的核间距是d nm,B原子的分数坐标为 ,磷化铝晶体的密度为 g·cm-3。
2.(2022山东日照模拟)Cu2S呈黑色或灰黑色,已知:晶胞中S2-的位置如图1所示,Cu+位于S2-所构成的四面体中心,晶胞的侧视图如图2所示。
Cu+填充了晶胞中四面体空隙的百分率是 ,S2-配位数为 。已知图1中A原子的原子分数坐标为(0,0,0),则与A原子距离最近的Cu+的原子分数坐标为 。
——突破一 命题篇——
新教材新高考 物质结构与性质综合应用基于“结构决定性质,性质反映结构”,设置有关物质结构与性质的综合应用类题,考查核外电子排布与元素周期律、分子结构与性质、晶体结构及计算等。利用分类和比较的方法研究物质的结构,分析比较物质性质的差异,归纳总结各类变化的特征及规律等。基于已有模型或构建模型阐释物质结构、化学变化规律或转化过程,分析、解决相关问题。
典例突破1(双选)(2022山东卷,15)Cu2-xSe是一种钠离子电池正极材料,充放电过程中正极材料立方晶胞(示意图)的组成变化如图所示,晶胞内未标出因放电产生的0价Cu原子。下列说法正确的是( )
A.每个Cu2-xSe晶胞中Cu2+个数为xB.每个Na2Se晶胞完全转化为Cu2-xSe晶胞,转移电子数为8C.每个NaCuSe晶胞中0价Cu原子个数为1-xD.当NayCu2-xSe转化为NaCuSe时,每转移(1-y) ml电子,产生(1-x) ml Cu原子
新材料新情境 新型材料的结构及性质新材料 某科学家在《科学》杂志发表论文,介绍了他们在反型钙钛矿太阳能电池研究方面的最新科研成果。钙钛矿晶体为ABX3结构,一般为立方体或八面体结构。在钙钛矿晶体中,B离子位于立方晶胞的中心;A离子位于立方晶胞的顶角,被X离子包围成配位八面体,如图所示。
判断(1)图(a)中,B离子处于6个X离子形成的正八面体中心,则B离子的配位数为6。( )(2)图(b)中,A离子被12个X离子包围,故A离子的配位数为12。( )
典例突破2(2022山东济宁一模)我国科学家在《科学》杂志发表反型钙钛矿太阳能电池研究方面的最新科研成果论文,为钙钛矿电池研究开辟新 方向。(1)Ti的配合物有多种。 的配体所含原子中电负性由大到小的顺序是 (写元素符号)。
(2)反型钙钛矿电池无需使用具有光催化活性的TiO2(通过氮掺杂生成TiO2-aNb,反应如图)以及掺杂的有机空穴传输层,光照下的输出
稳定性更好,更具发展潜力。①TiO2-aNb晶体中a= 。 ②已知原子1、2的分数坐标分别为(0,0, )和(1,0,0),则原子3的坐标为 ;设阿伏加德罗常数的值为NA,TiO2的密度为___________ g·cm-3(列出计算式)。
——突破二 解题篇——
素养命题+题型突破1.原子结构与性质的综合应用(证据推理与模型认知)新高考山东卷、广东卷等在选择题中设置原子结构与性质综合应用题,基于原子核外电子排布规律,构建原子结构等认知模型,建立重要证据及推理过程,从原子结构视角说明元素的性质(原子或离子半径大小顺序、电离能和电负性、金属性或非金属性强弱等)递变规律;根据物质的微观结构说明或预测物质的性质,并采用模型、符号等多种方式对原子结构与性质进行综合表征。
典例突破1(2021天津卷,19)元素X、Y、Z、Q、R的原子序数依次增大且小于20,其原子半径和最外层电子数之间的关系如图所示。下列判断正确的是( )
A.X的电负性比Q的大B.Q的简单离子半径比R的大C.Z的简单气态氢化物的热稳定性比Q的强D.Y的最高价氧化物对应的水化物的碱性比R的强
答案 B解析 X、Y、Z、Q、R的原子序数依次增大且小于20,由题图中最外层电子数和原子半径的关系可知,X为C、Y为Na、Z为S、Q为Cl、R为K。C的电负性比Cl的小,A错误;核外电子数相同时质子数越大半径越小,故Q的简单离子半径比R的大,B正确;同周期元素,原子序数越大非金属性越强,则简单氢化物更稳定,则Z的简单气态氢化物的热稳定性比Q的弱,C错误;同主族元素,原子序数越大金属性越强,则最高价氧化物对应水化物的碱性越强,则Y的最高价氧化物对应的水化物的碱性比R的弱,D错误。
方法点拨 (1)解答此类问题的关键是结合题给信息正确推断未知元素,再以“结构决定性质”为指导,结合同周期(或主族)元素性质的递变规律,进行分析、判断。
(2)短周期元素原子与成键数目的关系如表:
针对训练1(2022山东临沂一模)短周期主族元素W、X、Y、Z的原子序数依次增大,其中Z的内层电子数是X最外层电子数的2倍;基态Y原子的s轨道电子数与p轨道电子数相等;由这四种元素组成的某种物质常用作消毒漂白剂,其结构式如图所示。下列说法正确的是( )A.原子半径:Y>X>WB.简单氢化物的沸点:Z>Y>XC.W与Y、Z均可形成含极性键的非极性分子D.同周期中第一电离能小于Y的元素有5种
答案 C解析 四种元素原子序数依次增大,且属于短周期元素,基态Y原子的s轨道电子数与p轨道电子数相等,电子排布式可能为1s22s22p4或1s22s22p63s2,Y可能为O或Mg,根据结构式,Y只能为O。Z的内层电子数是X最外层电子数的2倍,根据核外电子排布规律,Z的内层电子数可能为2,也可能为10,如果为2,则X最外层电子数为1,不符合题意,Z的内层电子数只能为10,X的最外层电子数为5,即X为N,Z位于第三周期,根据结构式,Z形成一个共价键,即Z为Cl,W形成四个共价键,即W为C。同周期从左向右原子半径依次减小(稀有气体除外),原子半径的大小顺序是C>N>O,A错误;
X、Y、Z的简单氢化物分别为NH3、H2O、HCl,NH3和H2O存在分子间氢键,HCl不存在分子间氢键,则HCl沸点最小,H2O分子间氢键比HF分子间氢键多,则H2O的沸点高于NH3,即沸点:H2O>NH3>HCl,B错误;C与O形成CO2,C与Cl形成CCl4,CO2、CCl4是由极性键构成的非极性分子,C正确;同周期元素的第一电离能从左向右呈逐渐增大的趋势,但第ⅡA族>第ⅢA族,第ⅤA族>第ⅥA族,同周期中第一电离能比O元素小的元素有Li、Be、B、C,共有4种,D错误。
2.分子结构与性质的综合应用(证据推理与模型认知)新高考山东卷、海南卷等在选择题中设置分子结构与性质的综合应用题,根据给定的信息分析常见简单分子的空间结构,利用相关理论(价层电子对互斥模型、杂化轨道理论)解释简单的共价分子的空间结构,根据分子的结构特点和键的极性判断分子的极性及是否具有手性,并据此对分子的一些典型性质(熔点、沸点、溶解性等)和应用作出解释。
典例突破2(2021山东卷,9)关于CH3OH、N2H4和(CH3)2NNH2的结构与性质,下列说法错误的是( )A.CH3OH为极性分子B.N2H4空间结构为平面形C.N2H4的沸点高于(CH3)2NNH2D.CH3OH和(CH3)2NNH2中C、O、N杂化方式均相同
答案 B解析 甲醇可看成是甲烷中的一个氢原子被羟基取代得到的,为四面体结构,是由极性键构成的极性分子,A正确;N2H4中N原子的杂化方式为sp3,空间结构不是平面形,B错误;N2H4分子中连接N原子的H原子多,存在氢键的数目多,而偏二甲肼[(CH3)2NNH2]只有一端可以形成氢键,另一端的两个甲基基团比较大,影响了分子的排列,沸点比N2H4的低,C正确;CH3OH为四面体结构,—OH结构类似于水的结构,(CH3)2NNH2的结构简式为 ,两者分子中C、O、N杂化方式均为sp3,D正确。
方法点拨解答此类问题的关键是分析分子的空间结构、含有的共价键、分子的对称性等,基于此推测分子的性质(如极性、沸点、溶解性、手性等)。
3.晶体结构与性质的综合应用(证据推理与模型认知)新高考辽宁卷、湖北卷等在选择题中设置晶体结构与性质综合应用题,借助分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体等模型说明晶体中的微粒及其微粒间的相互作用,从原子、分子、超分子、聚集状态等不同角度认识物质结构特点及其与物质性质之间的关系;从构成微粒、微粒间相互作用、微粒的空间排布规律等角度分析不同类型晶体结构的特点、相似性和差异性。
典例突破3(2021辽宁卷,7)单质硫和氢气在低温高压下可形成一种新型超导材料,其晶胞如图。下列说法错误的是( )A.S位于元素周期表p区B.该物质的化学式为H3SC.S位于H构成的八面体空隙中D.该晶体属于分子晶体
S位于H构成的八面体空隙中,如图所示 ,C正确;由于该晶体是一种新型超导材料,说明其是由阴、阳离子构成的,故该晶体属于离子晶体,D错误。
方法点拨解答此类问题的关键是分析晶胞结构特点,确定各微粒在晶胞中的相对位置,结合“均摊法”确定晶体的化学式,结合晶体中微粒间的相互作用,推测晶体的性质等。
针对训练3(2022辽宁抚顺一模)铜和氧形成的一种离子化合物晶胞、C60晶胞如图所示,下列说法错误的是( )
A.铜和氧形成的离子化合物,铜离子的电荷数为+1B.C60晶体采用的是分子密堆积方式,与每个C60距离最近且等距离的C60有12个C.C60和石墨的晶体类型相同,都能导电D.晶体的熔点:石墨>C60
答案 C解析 由离子化合物晶胞可知,每个晶胞含有4个Cu原子,O原子个数为1+8× =2,Cu、O原子个数比为2∶1,则该离子化合物的化学式为Cu2O,铜离子的电荷数为+1,A正确;以C60晶胞顶角的C60分子为研究对象,与其距离最近且等距离的C60处于面心的位置,其数目为3×4=12,B正确;C60属于分子晶体,不能导电,石墨属于混合型晶体,能导电,C错误;石墨属于混合型晶体,具有很高的熔点,C60晶体属于分子晶体,熔点较低,故晶体的熔点:石墨>C60,D正确。
——突破三 热点专攻——
物质结构与性质综合题高考必备1.命题分析近三年,物质结构与性质综合题是高考热点题型之一,大多以某种新材料、催化剂、新药物等为命题载体,综合考查原子核外电子排布(核外电子排布式、价电子排布式、轨道表示式)、元素周期律(原子半径、电离能、电负性)、共价键(σ键和π键)、分子(或离子)的空间结构、中心原子的杂化类型、分子的结构与性质(极性、溶解性、手性)、范德华力和氢键对物质性质的影响、晶胞结构及计算、晶体的性质(熔点等)及分析等,突出考查考生的综合分析判断能力、逻辑推理能力、简单计算能力。
2.原子结构与性质的考查点
3.分子结构与性质的考查点
4.晶体结构与性质的考查点
真题感悟1.(2022山东卷,16)研究笼形包合物结构和性质具有重要意义。化学式为Ni(CN)x·Zn(NH3)y·zC6H6的笼形包合物四方晶胞结构如图所示(H原子未画出),每个苯环只有一半属于该晶胞。晶胞参数为a=b≠c,α=β=γ=90°。
回答下列问题:(1)基态Ni原子的价电子排布式为 ,在元素周期表中位置为 。
(2)晶胞中N原子均参与形成配位键,Ni2+与Zn2+的配位数之比为 ;x∶y∶z= ;晶胞中有d轨道参与杂化的金属离子是 。 (3)吡啶( )替代苯也可形成类似的笼形包合物。已知吡啶中含有与苯类似的 大π键,则吡啶中N原子的价层孤电子对占据 (填字母)。 A.2s轨道 B.2p轨道C.sp杂化轨道D.sp2杂化轨道
(4)在水中的溶解度,吡啶远大于苯,主要原因是① , ② 。
答案 (1)3d84s2 第四周期第Ⅷ族(2)2∶3 2∶1∶1 Zn2+ (3)D(4)①吡啶分子能与水分子形成分子间氢键 ②吡啶分子和H2O分子均为极性分子,相似相溶,而苯分子为非极性分子
解析 本题考查物质结构与性质,内容包括价电子排布式、配位数、杂化方式、大π键、溶解度、电子云密度。(1)Ni是28号元素,故基态Ni原子的价电子排布式为3d84s2,在元素周期表中位置为第四周期第Ⅷ族。(2)由晶胞结构示意图可知,一个晶胞中含有Ni2+个数为2× =1,Zn2+个数为8× =1,含有CN-为8× =4,NH3个数为8× =2,苯环个数为4× =2,则该晶胞的化学式为Ni(CN)4·Zn(NH3)2·2C6H6,且晶胞中每个N原子均参与形成配位键,Ni2+周围形成的配位键数目为4,Zn2+周围形成的配位键数目为6,则Ni2+与Zn2+的配位数之比为4∶6=2∶3,x∶y∶z=4∶2∶2=2∶1∶1;由以上分析可知,Ni2+的配位数为4,则Ni2+采用sp3杂化,而Zn2+的配位数为6,Zn2+采用sp3d2杂化,即晶胞中有d轨道参与杂化的金属离子是Zn2+。
(3)吡啶( )替代苯也可形成类似的笼形包合物。已知吡啶中含有与苯类似的 大π键,则说明吡啶中N原子也是采用sp2杂化,杂化轨道只用于形成σ键或容纳孤电子对,即吡啶中N原子的价层孤电子对占据sp2杂化轨道。(4)已知苯分子为非极性分子,H2O分子为极性分子,吡啶分子为极性分子,且吡啶分子中N原子上含有孤电子对能与水分子形成分子间氢键,从而导致在水中的溶解度吡啶远大于苯。
2.(2021福建卷,14)类石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种新型光催化材料,在光解水产氢等领域具有广阔的应用前景,研究表明,非金属掺杂(O、S等)能提高其光催化活性。g-C3N4具有和石墨相似的层状结构,其中一种二维平面结构如图所示。
回答下列问题:(1)基态C原子的成对电子数与未成对电子数之比为 。 (2)N、O、S的第一电离能(I1)大小为I1(N)>I1(O)>I1(S),原因是 。 (3)g-C3N4晶体中存在的微粒间作用力有 (填字母)。 a.非极性键b.金属键c.π键d.范德华力(4)g-C3N4中,C原子的杂化轨道类型为 ,N原子的配位数为 。 (5)每个基本结构单元(图中实线圈部分)中两个N原子(图中虚线圈所示)被O原子代替,形成O原子掺杂的g-C3N4(OPCN),OPCN的化学式为 。
答案 (1)2∶1 (2)N原子2p轨道半充满,比相邻的O原子更稳定,更难失电子;O、S属于同主族元素,S原子半径大于O原子,更易失去电子 (3)cd (4)sp2 2、3 (5)C3N3O解析 (1)基态C原子的核外电子排布式为1s22s22p2,2p轨道上有2个未成对电子,则成对电子数与未成对电子数之比为4∶2=2∶1。(2)N和O处于同一周期且相邻,由于N的2p轨道处于半充满的稳定状态,较难失去电子,则I1(N)>I1(O);O、S元素处于同主族,S原子半径大于O原子半径,S原子对最外层电子的吸引力小于O原子,则有I1(O)>I1(S)。(3)g-C3N4具有和石墨相似的层状结构,由二维平面结构可知,C和N原子均采取sp2杂化,C和N原子之间形成极性键,未参与杂化的2p轨道相互平行重叠,形成π键,层与层之间存在范德华力。
(4)g-C3N4的层状结构中,N原子的成键方式有2种,形成2个C—N或3个C—N,故N的配位数为2、3。(5)从基本结构单元分析得知,N原子的成键有连两个C原子和连三个C原子的两种情况,连两个C原子的N原子完全属于该基本结构单元,连三个C原子的N原子处在中心的完全属于该基本结构单元,处在3个“顶点”上的属于三个基本结构单元,故一个基本结构单元含有6个C原子和7+ ×3=8个N原子;将题图中虚线圈所示的N原子用O原子代替,则O原子完全属于该基本结构单元,故该基本结构单元含有6个C原子、6个N原子、2个O原子,其比值为3∶3∶1,则OPCN的化学式为C3N3O。
方法点拨1.有关晶胞的三种计算(1)计算晶体密度的方法
(a表示晶胞边长,ρ表示密度,NA表示阿伏加德罗常数的数值,n表示1 ml晶胞所含基本粒子或特定组合的物质的量,M表示摩尔质量)。
(2)计算晶体中微粒间距离的方法
2.“四步法”突破物质结构与性质综合题
考向预测1.(信息型的物质结构与性质综合题)(2022河北邯郸一模)镍铜合金是由60%镍、33%铜、6.5%铁三种金属组成的合金材料。镍铜合金有较好的室温力学性能,耐腐蚀性好,耐磨性好,容易加工,无磁性,是制造电子管较好的结构材料。请回答下列问题:(1)基态Cu的价电子轨道表示式为 。 (2)O与Cu形成的化合物为Cu2O,Cu与S形成的化合物为Cu2S,Cu2O的熔点比Cu2S的 (填“低”“高”或“无法确定”)。
(3)Cu可以形成一种离子化合物[Cu(NH3)4(H2O)2]SO4,若要确定该物质是晶体还是非晶体,最科学的方法是对它进行 实验;其阴离子的空间结构是 ;加热该物质时,首先失去的是H2O分子,原因是 。 (4)甲基丙烯酸铜是一种重要的有机铜试剂,其结构为 。此有机铜试剂中,C原子的杂化类型有 ,1 ml此有机铜试剂中含有σ键的物质的量为 ml。
(5)Cu的化合物种类有很多,Cl与Cu形成的化合物的立方晶胞结构如图所示,已知立方晶胞的边长为a cm,则Cu+与Cl-形成的化合物的密度ρ= (NA表示阿伏加德罗常数的值,用含a、NA的代数式表示) g·cm-3。
(3)X射线衍射 正四面体形 O的电负性比N的强,对孤电子对的吸引力更强,H2O与Cu2+的配位键比NH3与Cu2+的配位键弱
解析 (2)Cu2O和Cu2S是离子晶体,其中r(O2-)
(5)F的化合物种类很多,如图为D与F形成化合物的立方晶胞,其中离子坐标参数为a(0,0,0)、b(1,0,1)、c(1,1,2)、d(2,1,1)。则e点的D-的坐标参数为 。
答案 (1)1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1(2)铜失去的是全充满的3d10电子,镍失去的是4s1电子
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