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课件 高考化学一轮复习第六单元 物质结构 元素周期律 发展素养(八) 证据推理——应用相关理论解释物质结构与性质的关系
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这是一份课件 高考化学一轮复习第六单元 物质结构 元素周期律 发展素养(八) 证据推理——应用相关理论解释物质结构与性质的关系，共53页。PPT课件主要包含了OSiFeMg，化合物Ⅲ，CsCl，SiC，作业手册，OCHFe，FOCl，NCH，平面三角，s25p3等内容，欢迎下载使用。
发展素养(八) 证据推理——应用相关理论解释物质结构与性质的关系
探究点1 电离能、电负性的比较及原因分析探究点2 范德华力、氢键对物质性质的影响及分析探究点3 晶体的熔、沸点比较及原因分析作业手册
探究点1 电离能、电负性的比较及原因分析
例1 (1)[2023·全国乙卷节选] 探测发现火星上存在大量橄榄石矿物(MgxFe2-xSiO4)。橄榄石中,各元素电负性大小顺序为 , 铁的化合价为 。
[解析] (1)橄榄石中各元素按照元素周期律知,电负性大小顺序为 O>Si>Fe>Mg,依据化合物中各元素化合价代数和为0知,铁的化合价为+2。
(2)[2023·北京卷节选] 比较S原子和O原子的第一电离能大小,从原子结构的角度说明理由: 。
[解析] (2)S和O为同主族元素,O原子核外有2个电子层,S原子核外有3个电子层,O原子半径小,原子核对最外层电子的吸引力大,不易失去1个电子,即O的第一电离能大于S的第一电离能。
I1(O)>I1(S),氧原子半径小,原子核对最外层电子的吸引力大,不易失去一个电子
(3)[2022·河北卷节选] Cu与Zn相比,第二电离能与第一电离能差值更大的是 ,原因是 。
Cu的第一电离能比Zn的第一电离能小,但Cu失去1个电子后形成的Cu+的价层电子排布为3d10,较难失去电子,Zn失去1个电子后形成的Zn+的价层电子排布为3d104s1,较易失去1个电子达到稳定状态,Cu的第二电离能比Zn的第二电离能大
[解析] (3)Cu的价层电子排布为3d104s1,易失去1个4s电子达到稳定状态,Zn的价层电子排布为3d104s2,4s轨道为全充满稳定状态,不易失去电子,故Cu的第一电离能比Zn的第一电离能小,Cu+的价层电子排布为3d10,Zn+的价层电子排布为3d104s1,Cu+的3d能级处于全充满稳定状态,Zn+易失去4s能级上的1个电子形成稳定结构,故Cu的第二电离能比Zn的第二电离能大,因此第二电离能与第一电离能差值更大的是Cu。
(4)已知稀有气体熔、沸点均为同周期的最低者,第三周期8种元素按单质熔点由低到高的顺序排列如图所示,其中电负性最大的是 (填图中的序号)。
[解析] (4)第三周期8种元素分别为钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩,其单质中钠、镁、铝形成金属晶体,熔点依次升高;硅形成共价晶体,熔点最高;磷、硫、氯、氩形成分子晶体,且常温下磷、硫为固体,氯气、氩气为气体,根据已知可知8种元素单质中熔点最低的为氩气,则氯气次之,故序号2代表氯气,其电负性最大。
【方法技巧】 价层电子排布对电离能的影响及分析答题模板
变式题 (1)[2022·全国甲卷节选] 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)。
同一周期从左向右元素的第一电离能总体呈上升趋势,但由于N原子的2p能级为半充满状态,因此N元素的第一电离能较C、O两种元素高
[解析] (1)C、N、O、F四种元素在同一周期,同一周期从左向右元素的第一电离能总体呈上升趋势,但由于N原子的2p能级为半充满状态,因此N元素的第一电离能较C、O两种元素高,则C、N、O、F四种元素的第一电离能从小到大的顺序为C
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同主族,S原子半径大于O原子,更易失去电子
[解析] (2)N、O、S的第一电离能(I1)大小为I1(N)>I1(O)>I1(S),原因是相同电子层数的原子,N原子的核外电子排布式是1s22s22p3,2p轨道处于半满状态,比较稳定,较难失去第一个电子,第一电离能N大于O;O和S是同一主族元素,O原子的半径较小,原子核对核外电子的束缚作用较强,较难失去第一个电子,第一电离能O大于S。
探究点2 范德华力、氢键对物质性质的影响及分析
例2 (1)OF2分子的空间结构为 ;OF2的熔、沸点 (填“高于”或“低于”)Cl2O,原因是 。
OF2相对分子质量小,分子间作用力小
(2)甲醇的沸点(64.7 ℃)介于水(100 ℃)和甲硫醇(CH3SH,7.6 ℃)之间,其原因是 。
[解析] (2)甲醇分子之间和水分子之间都存在氢键,因此沸点高于不含分子间氢键的甲硫醇,每个甲醇分子形成的氢键少于每个水分子形成的氢键,因此甲醇的沸点介于水和甲硫醇之间。
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
(3)很多含巯基(—SH)的有机化合物是重金属元素汞的解毒剂。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 。
[解析] (3) 中羟基能与水分子之间形成分子间氢键, 为易溶于水的钠盐,溶于水后电离出的 中O原子均能与水分子之间形成氢键,相同物质的量的两种物质溶于水后, 形成的氢键更多,因此化合物Ⅲ更易溶于水。
【方法技巧】 范德华力和氢键及对物质性质的影响答题模板[答题模板1]×××存在范德华力,×××形成分子间氢键,由于氢键强于范德华力,故×××的熔、沸点高于×××。[答题模板2]×××都只存在范德华力,由于×××的相对分子质量大,范德华力强,故其熔、沸点高。
变式题 (1)相同温度下,2-硝基苯酚( )的酸性小于4-硝基苯酚( )的酸性,其原因是 。 (2)钛与卤素形成化合物TiF4、TiCl4、TiBr4、TiI4,其熔点依次为377 ℃、-24 ℃、38.3 ℃、153 ℃,其中TiCl4、TiBr4、TiI4熔点依次升高的原因是 。
2-硝基苯酚形成分子内氢键,使其更难电离出H+
TiCl4、TiBr4、TiI4均为分子晶体,相对分子质量依次增大,范德华力依次增大
(3)下列实验事实不能用氢键来解释的是 。 A.CH4比SiH4稳定B.乙醇能与水以任意比例互溶C.邻羟基苯甲醛的沸点低于对羟基苯甲醛D.接近沸点的水蒸气的相对分子质量测量值大于18
[解析] (3)氢化物稳定性与共价键的强弱有关,与氢键无关,且二者均不能形成氢键,故A不能用氢键解释;乙醇能与水形成氢键,所以和水以任意比例互溶,故B能用氢键解释;邻羟基苯甲醛形成分子内氢键,对羟基苯甲醛形成分子间氢键,所以邻羟基苯甲醛的沸点低于对羟基苯甲醛,故C能用氢键解释;
水蒸气分子之间除了存在范德华力外,还存在氢键,接近水的沸点的水蒸气中存在相当量的水分子因氢键而相互缔合,形成缔合分子,导致其相对分子质量测量值大于18,故D能用氢键解释。
探究点3 晶体的熔、沸点比较及原因分析
例3 (1)[2022·全国乙卷节选] 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: 。
[解析] (1)CsICl2发生非氧化还原反应,各元素化合价不变,生成无色晶体和红棕色液体,则无色晶体为CsCl,红棕色液体为ICl,而CsCl为离子晶体,熔化时,克服的是离子键,ICl为分子晶体,熔化时,克服的是分子间作用力,因此CsCl的熔点比ICl高。
CsCl为离子晶体,ICl为分子晶体
(2)[2022·浙江卷节选] 四种晶体的熔点数据如下表:CF4和SiF4熔点相差较小,BF3和AlF3熔点相差较大,原因是 。
[解析] (2)从物质的熔点看,CF4、SiF4、BF3为分子晶体,AlF3为离子晶体。CF4和SiF4的相对分子质量差异较小,分子间作用力相差较小。BF3熔化克服的是分子间作用力,AlF3熔化则需克服离子键。
CF4和SiF4都是分子晶体,结构相似,分子间作用力相差较小,所以熔点相差较小;BF3通过分子间作用力形成分子晶体,AlF3通过离子键形成离子晶体,破坏离子键需要能量多得多,所以熔点相差较大
【方法技巧 】不同晶体的熔、沸点比较及分析的答题模板(1)不同类型晶体的熔、沸点比较[答题模板]×××是×××晶体,而×××是×××晶体。(2)同种类型晶体的熔、沸点比较①分子晶体[答题模板]a.都是分子晶体,×××存在氢键,而×××只存在较弱的范德华力。b.都是分子晶体,都只存在范德华力,×××的相对分子质量大,范德华力大,其熔、沸点高。
c.都是分子晶体,二者的相对分子质量相同(或相近),×××的极性大,其熔、沸点高。②共价晶体[答题模板]都是共价晶体、×××的键长短,键能大,其熔、沸点高。③离子晶体[答题模板]都是离子晶体,×××离子的半径小,所带电荷多,则×××的离子键强,其熔、沸点高。
变式题 (1)MnS晶胞与NaCl晶胞属于同种类型,如图所示。前者的熔点明显高于后者,其主要原因是 。 (2)晶体硅和碳化硅熔点较高的是 (填化学式)。
[解析] (1)MnS晶胞与NaCl晶胞属于同种类型,二者都属于离子晶体,由于MnS中阴阳离子所带电荷数比NaCl的多,MnS中离子键强于NaCl中离子键,故MnS的熔点明显高于NaCl。(2)晶体硅和碳化硅均属于共价晶体,Si—Si键长大于Si—C键长,所以Si—Si键能小于Si—C键能,故晶体硅和碳化硅熔点较高的是SiC。
MnS中阴、阳离子所带电荷数比NaCl的多,离子键强度更大
1. (1)[2022·湖南卷节选] 富马酸亚铁(FeC4H2O4)是一种补铁剂,富马酸亚铁中各元素的电负性由大到小的顺序为 。 (2)第一电离能的大小:C O(填“大于”或“小于”),其原因是 。 (3)O、F、Cl电负性由大到小的顺序为 。
探究点一 电离能、电负性的比较及原因分析
O原子半径更小,更难失去电子
2. (1)H、C、N的电负性由大到小的顺序为 。 (2)N、O、S的第一电离能 (I1)大小为I1(N)>I1(O)>I1(S),原因是 。
N原子2p轨道半充满,比同周期相邻的O原子更稳定,更难失去电子;O、S同主族,S原子半径大于O原子,更易失去电子
[解析] (1)基态Zn原子的价层电子排布为3d104s2,3d、4s轨道均处于全充满的稳定状态,较难失去电子,基态Cu原子的价层电子排布为3d104s1,易失去最外层的1个电子变为3d10的全充满稳定结构,则Zn第一电离能较大。基态Cu原子的价层电子排布为3d104s1,较易失去4s轨道的1个电子,故有I1(Zn)>I1(Cu)。
3. (1)黄铜是人类最早使用的合金之一,主要由 Zn 和 Cu 组成。第一电离能I1(Zn) I1(Cu)(填“大于”或“小于”)。原因是 。
Zn核外电子排布为全满稳定状态,较难失去电子,Cu的价层电子排布为3d104s1,易失去4s电子变为3d10全充满稳定结构
(2)I1(Li)>I1(Na),原因是 。I1(Be)>I1(B)>I1(Li),原因是 。
[解析] (2)Na与Li同族,Na的电子层数多,原子半径大,易失电子,所以Li的第一电离能大于Na;Li、Be、B同周期,核电荷数依次增加,B的第一电离能失去的电子是2p能级的,该能级电子的能量比Be失去的2s能级电子的高,所以Be的第一电离能最大;与Li相比,B的核电荷数较大,原子半径较小,较难失去电子,第一电离能较大,所以第一电离能从大到小的顺序为Be>B>Li。
Na与Li同族,Na电子层数多,原子半径大,易失电子
Li、Be、B同周期,核电荷数依次增加,B的第一电离能失去的电子是2p能级的,该能级电子的能量比Be失去的2s能级电子的高,所以Be的第一电离能最大;与Li相比,B的核电荷数大,原子半径小,较难失去电子,第一电离能较大
4. (1)元素铜与镍的第二电离能分别为I2(Cu)=1958 kJ·ml-1、I2(Ni)=1753 kJ·ml-1,I2(Cu)>I2(Ni)的原因是 。 (2)下图表示碳、硅和磷元素的四级电离能变化趋势,其中表示磷的曲线是 (填字母)。
Cu的第二电离能失去的是全充满的3d10电子,Ni的第二电离能失去的是4s1电子
[解析] (2)C原子的价层电子排布为2s22p2,Si原子的价层电子排布为3s23p2,P原子的价层电子排布为3s23p3,由第一电离能规律可知,第一电离能:C>Si,P>Si,由于C的第一电离能失去2p电子,而P的第一电离能失去3p电子,则第一电离能:C>P>Si;当P原子失去3个电子后,再失去的一个电子为比3p能级能量低的3s能级的电子,需要的能量较多,即第四电离能较大,故符合此情况的曲线为b。
5. (1)已知两种有机物的相关数据如下表:化合物CH3CH2NH2的沸点高于CH3CH2F的原因是 。
两者均为分子晶体,CH3CH2NH2可以形成分子间氢键,使分子间作用力增大,而CH3CH2F不能
探究点二 范德华力、氢键对物质性质的影响及分析
(2)已知C2H5NH3NO3的熔点只有12 ℃,而NH4NO3的熔点为170 ℃,NH4NO3熔点高于C2H5NH3NO3的原因是 。
6. (1)苯胺与甲苯( )的相对分子质量相近,但苯胺的熔点(-5.9 ℃)、沸点(184.4 ℃)分别高于甲苯的熔点(-95.0 ℃)、沸点(110.6 ℃),原因是 。 (2)沸点:N2H4 P2H4(填“>”或“<”),判断依据是 。 (3)下图为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 。
甲苯分子间只存在范德华力,苯胺分子之间存在氢键
P2H4分子间只存在范德华力,N2H4分子间存在氢键
S8相对分子质量大,分子间范德华力强
H2O>CH3OH>CO2>H2
(4)研究发现,CO2低压合成甲醇的反应为CO2+3H2 = CH3OH+H2O,该反应所涉及的4种物质中,沸点从高到低的顺序为 ,原因是 。
H2O与CH3OH分子间均含氢键,沸点较高,前者氢键更多,沸点更高,CO2与H2分子间为范德华力,CO2的相对分子质量更大,范德华力更强,沸点更高
7. 按要求回答下列问题:(1)HCHO分子的空间结构为 形,它与H2加成后,加成产物的熔点、沸点比CH4的熔点、沸点高,其主要原因是(须指明加成产物是何物质) 。 (2)S位于周期表中第 族,该族元素气态氢化物中,H2Te比H2S沸点高的原因是 , H2O比H2Te沸点高的原因是 。
加成产物CH3OH分子之间能形成氢键
两者均为分子晶体且结构相似,H2Te相对分子质量比H2S大,分子间作用力更强
两者均为分子晶体,H2O分子之间存在氢键
[解析] (1)氧的电负性较大,则 中形成分子内氢键,即O—H…O(或—COO-中双键氧原子与羟基氢原子之间形成氢键),其大小介于化学键和范德华力之间,使—OH更难电离出H+,则水杨酸第二级电离平衡常数小于苯酚的电离平衡常数。
8. (1)已知苯酚( )具有弱酸性,其K=1.1×10-10;水杨酸第一级电离形成的离子 能形成分子内氢键,据此判断,相同温度下电离平衡常数:K2(水杨酸) (填“>”或“<”)K(苯酚),其原因是 。
[解析] (2)分子间氢键能使分子间作用力增大,使物质的熔点、沸点升高。
NH3分子间能形成氢键
(2)化合物NH3的沸点比化合物CH4的高,其主要原因是 。
(3)H2O分子内的O—H、分子间的范德华力和氢键从强到弱依次为 。 的沸点比 高,原因是 。
[解析] (3)氢键弱于共价键而强于范德华力。对羟基苯甲醛形成分子间氢键,邻羟基苯甲醛形成分子内氢键。
O—H>氢键>范德华力
9. [2023·北京人大附中期中] 应用原子力显微(AFM)技术可对分子的电子云进行成像。应用AFM技术对沉积于Cu表面的8-羟基喹啉( )成像。探测到电子的区域呈浅色。部分有机物熔点如下表:
(1)8-羟基喹啉分子间可形成O—H…N氢键,其原因是 。 (2)8-羟基喹啉的熔点明显低于7-羟基喹啉、6-羟基喹啉的熔点的原因是 。
[解析] (1)氮元素电负性大,能与氢原子形成氢键,所以8-羟基喹啉分子间可形成O—H…N氢键。(2)由于8-羟基喹啉能形成分子内氢键,7-羟基喹啉、6-羟基喹啉可以形成分子间氢键,所以8-羟基喹啉的熔点明显低于7-羟基喹啉、6-羟基喹啉的熔点。
氮元素电负性大,能与氢原子形成氢键
8-羟基喹啉能形成分子内氢键,7-羟基喹啉、6-羟基喹啉可以形成分子间氢键
[解析] (3)①8-羟基喹啉与苯相似,除含有σ键外,还含有大π键,使C、N原子的性质与普通的烷烃、烯烃、胺明显不同。②8-羟基喹啉分子间含有羟基,根据示意图可判断8-羟基喹啉分子间除O—H…N氢键外,还存在O—H…O、C—H…O、C—H…N等氢键。
(3)①8-羟基喹啉与苯相似,除含有σ键外,还含有 键,使C、N原子的性质与普通的烷烃、烯烃、胺明显不同。 ②实验结果表明,8-羟基喹啉分子间除O—H…N氢键外,还存在 等氢键。
O—H…O、C—H…O、C—H…N
10.(1)K和Cr属于同一周期,且核外最外层电子排布式相同,但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低,原因是 。
[解析] (1)K和Cr都是金属晶体,其熔点、沸点与金属键的强弱有关。K和Cr处于同一周期,且核外最外层电子排布相同,但K的原子半径比Cr大,且K的价层电子数比Cr少,则K的金属键比Cr弱,因此K的熔点、沸点比Cr低。
K原子半径较大且价层电子数较少,金属键较弱
探究点三 晶体的熔、沸点比较及原因分析
(2)GaF3的熔点高于1000 ℃,GaCl3的熔点为77.9 ℃,其原因是 。
[解析] (2)GaF3的熔点高于1000 ℃,GaCl3的熔点为77.9 ℃,其原因是二者所属晶体类型不同,GaF3是离子晶体,GaCl3是分子晶体,而一般离子晶体的熔点高于分子晶体的熔点。
GaF3为离子晶体,GaCl3为分子晶体
(3)四卤化硅SiX4的沸点和二卤化铅PbX2的熔点如图所示。 ①SiX4的沸点依F、Cl、Br、I次序升高的原因是 。 ②结合SiX4的沸点和PbX2的熔点的变化规律,可推断:依F、Cl、Br、I次序,PbX2中的化学键的离子性 、共价性 。(填“增强”“不变”或“减弱”)
SiX4属于分子晶体,相对分子质量越大,沸点越高
[解析] (3)①由题图可知四卤化硅的熔点逐渐升高,且均低于400 ℃,则四种物质均为分子晶体,其沸点与范德华力有关,相对分子质量越大,范德华力越大,其沸点越高。②PbX2的熔点逐渐降低,其中PbF2的熔点超过800 ℃,其余低于600 ℃,则PbF2为离子晶体,PbBr2、PbI2为分子晶体,据此推知,依F、Cl、Br、I次序,PbX2中的化学键的离子性减弱,共价性增强。
11.(1)氯化铝的熔点为190 ℃,而氟化铝的熔点为1290 ℃,导致这种差异的原因是 。 (2)CuO的熔点比CuS的高,原因是 。 (3)一些氧化物的熔点如下表所示:解释表中氧化物之间熔点差异的原因: 。
AlCl3是分子晶体,而AlF3是离子晶体
氧离子半径小于硫离子半径,所以CuO的离子键强,熔点较高
Li2O、MgO为离子晶体,P4O6、SO2为分子晶体;MgO的离子键比Li2O强,分子间作用力:P4O6>SO2
12.如图是元素周期表的一部分:(1)写出元素①的元素符号: ,与①同周期的主族元素中,第一电离能比①大的有 种。 (2)基态锑(Sb)原子的价层电子排布为 。[H2F]+[SbF6]-(氟酸锑)是一种超强酸,则[H2F]+的空间结构为 。
(3)下列说法正确的是 (填字母)。 a.N2H4分子中含5个σ键和1个π键b.基态P原子中,电子占据的最高能级符号为Mc.Sb 位于p区d.升温实现液氨→氨气→氮气和氢气变化的阶段中,微粒间破坏的主要的作用力依次是氢键、极性共价键
[解析] (3)N2H4分子的结构为 ,有4个N—H σ键,不含π键,一个N—N σ键,故a错误;基态P原子中,核外电子排布式为1s22s22p63s23p3,确定最高能级为3p能级,最高能层为M,故b错误;Sb最后排入的电子的能级为5p,根据元素周期表的分区确定Sb 位于p区,故c正确;升温实现液氨→氨气→氮气和氢气变化的阶段中,液氨→氨气,由液态变成气态,微粒间破坏的主要作用力是氢键,氨气→氮气和氢气破坏的是极性共价键,故d正确。
发展素养(八) 证据推理——应用相关理论解释物质结构与性质的关系
探究点1 电离能、电负性的比较及原因分析探究点2 范德华力、氢键对物质性质的影响及分析探究点3 晶体的熔、沸点比较及原因分析作业手册
探究点1 电离能、电负性的比较及原因分析
例1 (1)[2023·全国乙卷节选] 探测发现火星上存在大量橄榄石矿物(MgxFe2-xSiO4)。橄榄石中,各元素电负性大小顺序为 , 铁的化合价为 。
[解析] (1)橄榄石中各元素按照元素周期律知,电负性大小顺序为 O>Si>Fe>Mg,依据化合物中各元素化合价代数和为0知,铁的化合价为+2。
(2)[2023·北京卷节选] 比较S原子和O原子的第一电离能大小,从原子结构的角度说明理由: 。
[解析] (2)S和O为同主族元素,O原子核外有2个电子层,S原子核外有3个电子层,O原子半径小,原子核对最外层电子的吸引力大,不易失去1个电子,即O的第一电离能大于S的第一电离能。
I1(O)>I1(S),氧原子半径小,原子核对最外层电子的吸引力大,不易失去一个电子
(3)[2022·河北卷节选] Cu与Zn相比,第二电离能与第一电离能差值更大的是 ,原因是 。
Cu的第一电离能比Zn的第一电离能小,但Cu失去1个电子后形成的Cu+的价层电子排布为3d10,较难失去电子,Zn失去1个电子后形成的Zn+的价层电子排布为3d104s1,较易失去1个电子达到稳定状态,Cu的第二电离能比Zn的第二电离能大
[解析] (3)Cu的价层电子排布为3d104s1,易失去1个4s电子达到稳定状态,Zn的价层电子排布为3d104s2,4s轨道为全充满稳定状态,不易失去电子,故Cu的第一电离能比Zn的第一电离能小,Cu+的价层电子排布为3d10,Zn+的价层电子排布为3d104s1,Cu+的3d能级处于全充满稳定状态,Zn+易失去4s能级上的1个电子形成稳定结构,故Cu的第二电离能比Zn的第二电离能大,因此第二电离能与第一电离能差值更大的是Cu。
(4)已知稀有气体熔、沸点均为同周期的最低者,第三周期8种元素按单质熔点由低到高的顺序排列如图所示,其中电负性最大的是 (填图中的序号)。
[解析] (4)第三周期8种元素分别为钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩,其单质中钠、镁、铝形成金属晶体,熔点依次升高;硅形成共价晶体,熔点最高;磷、硫、氯、氩形成分子晶体,且常温下磷、硫为固体,氯气、氩气为气体,根据已知可知8种元素单质中熔点最低的为氩气,则氯气次之,故序号2代表氯气,其电负性最大。
【方法技巧】 价层电子排布对电离能的影响及分析答题模板
变式题 (1)[2022·全国甲卷节选] 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)。
同一周期从左向右元素的第一电离能总体呈上升趋势,但由于N原子的2p能级为半充满状态,因此N元素的第一电离能较C、O两种元素高
[解析] (1)C、N、O、F四种元素在同一周期,同一周期从左向右元素的第一电离能总体呈上升趋势,但由于N原子的2p能级为半充满状态,因此N元素的第一电离能较C、O两种元素高,则C、N、O、F四种元素的第一电离能从小到大的顺序为C
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同主族,S原子半径大于O原子,更易失去电子
[解析] (2)N、O、S的第一电离能(I1)大小为I1(N)>I1(O)>I1(S),原因是相同电子层数的原子,N原子的核外电子排布式是1s22s22p3,2p轨道处于半满状态,比较稳定,较难失去第一个电子,第一电离能N大于O;O和S是同一主族元素,O原子的半径较小,原子核对核外电子的束缚作用较强,较难失去第一个电子,第一电离能O大于S。
探究点2 范德华力、氢键对物质性质的影响及分析
例2 (1)OF2分子的空间结构为 ;OF2的熔、沸点 (填“高于”或“低于”)Cl2O,原因是 。
OF2相对分子质量小,分子间作用力小
(2)甲醇的沸点(64.7 ℃)介于水(100 ℃)和甲硫醇(CH3SH,7.6 ℃)之间,其原因是 。
[解析] (2)甲醇分子之间和水分子之间都存在氢键,因此沸点高于不含分子间氢键的甲硫醇,每个甲醇分子形成的氢键少于每个水分子形成的氢键,因此甲醇的沸点介于水和甲硫醇之间。
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
(3)很多含巯基(—SH)的有机化合物是重金属元素汞的解毒剂。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 。
[解析] (3) 中羟基能与水分子之间形成分子间氢键, 为易溶于水的钠盐,溶于水后电离出的 中O原子均能与水分子之间形成氢键,相同物质的量的两种物质溶于水后, 形成的氢键更多,因此化合物Ⅲ更易溶于水。
【方法技巧】 范德华力和氢键及对物质性质的影响答题模板[答题模板1]×××存在范德华力,×××形成分子间氢键,由于氢键强于范德华力,故×××的熔、沸点高于×××。[答题模板2]×××都只存在范德华力,由于×××的相对分子质量大,范德华力强,故其熔、沸点高。
变式题 (1)相同温度下,2-硝基苯酚( )的酸性小于4-硝基苯酚( )的酸性,其原因是 。 (2)钛与卤素形成化合物TiF4、TiCl4、TiBr4、TiI4,其熔点依次为377 ℃、-24 ℃、38.3 ℃、153 ℃,其中TiCl4、TiBr4、TiI4熔点依次升高的原因是 。
2-硝基苯酚形成分子内氢键,使其更难电离出H+
TiCl4、TiBr4、TiI4均为分子晶体,相对分子质量依次增大,范德华力依次增大
(3)下列实验事实不能用氢键来解释的是 。 A.CH4比SiH4稳定B.乙醇能与水以任意比例互溶C.邻羟基苯甲醛的沸点低于对羟基苯甲醛D.接近沸点的水蒸气的相对分子质量测量值大于18
[解析] (3)氢化物稳定性与共价键的强弱有关,与氢键无关,且二者均不能形成氢键,故A不能用氢键解释;乙醇能与水形成氢键,所以和水以任意比例互溶,故B能用氢键解释;邻羟基苯甲醛形成分子内氢键,对羟基苯甲醛形成分子间氢键,所以邻羟基苯甲醛的沸点低于对羟基苯甲醛,故C能用氢键解释;
水蒸气分子之间除了存在范德华力外,还存在氢键,接近水的沸点的水蒸气中存在相当量的水分子因氢键而相互缔合,形成缔合分子,导致其相对分子质量测量值大于18,故D能用氢键解释。
探究点3 晶体的熔、沸点比较及原因分析
例3 (1)[2022·全国乙卷节选] 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: 。
[解析] (1)CsICl2发生非氧化还原反应,各元素化合价不变,生成无色晶体和红棕色液体,则无色晶体为CsCl,红棕色液体为ICl,而CsCl为离子晶体,熔化时,克服的是离子键,ICl为分子晶体,熔化时,克服的是分子间作用力,因此CsCl的熔点比ICl高。
CsCl为离子晶体,ICl为分子晶体
(2)[2022·浙江卷节选] 四种晶体的熔点数据如下表:CF4和SiF4熔点相差较小,BF3和AlF3熔点相差较大,原因是 。
[解析] (2)从物质的熔点看,CF4、SiF4、BF3为分子晶体,AlF3为离子晶体。CF4和SiF4的相对分子质量差异较小,分子间作用力相差较小。BF3熔化克服的是分子间作用力,AlF3熔化则需克服离子键。
CF4和SiF4都是分子晶体,结构相似,分子间作用力相差较小,所以熔点相差较小;BF3通过分子间作用力形成分子晶体,AlF3通过离子键形成离子晶体,破坏离子键需要能量多得多,所以熔点相差较大
【方法技巧 】不同晶体的熔、沸点比较及分析的答题模板(1)不同类型晶体的熔、沸点比较[答题模板]×××是×××晶体,而×××是×××晶体。(2)同种类型晶体的熔、沸点比较①分子晶体[答题模板]a.都是分子晶体,×××存在氢键,而×××只存在较弱的范德华力。b.都是分子晶体,都只存在范德华力,×××的相对分子质量大,范德华力大,其熔、沸点高。
c.都是分子晶体,二者的相对分子质量相同(或相近),×××的极性大,其熔、沸点高。②共价晶体[答题模板]都是共价晶体、×××的键长短,键能大,其熔、沸点高。③离子晶体[答题模板]都是离子晶体,×××离子的半径小,所带电荷多,则×××的离子键强,其熔、沸点高。
变式题 (1)MnS晶胞与NaCl晶胞属于同种类型,如图所示。前者的熔点明显高于后者,其主要原因是 。 (2)晶体硅和碳化硅熔点较高的是 (填化学式)。
[解析] (1)MnS晶胞与NaCl晶胞属于同种类型,二者都属于离子晶体,由于MnS中阴阳离子所带电荷数比NaCl的多,MnS中离子键强于NaCl中离子键,故MnS的熔点明显高于NaCl。(2)晶体硅和碳化硅均属于共价晶体,Si—Si键长大于Si—C键长,所以Si—Si键能小于Si—C键能,故晶体硅和碳化硅熔点较高的是SiC。
MnS中阴、阳离子所带电荷数比NaCl的多,离子键强度更大
1. (1)[2022·湖南卷节选] 富马酸亚铁(FeC4H2O4)是一种补铁剂,富马酸亚铁中各元素的电负性由大到小的顺序为 。 (2)第一电离能的大小:C O(填“大于”或“小于”),其原因是 。 (3)O、F、Cl电负性由大到小的顺序为 。
探究点一 电离能、电负性的比较及原因分析
O原子半径更小,更难失去电子
2. (1)H、C、N的电负性由大到小的顺序为 。 (2)N、O、S的第一电离能 (I1)大小为I1(N)>I1(O)>I1(S),原因是 。
N原子2p轨道半充满,比同周期相邻的O原子更稳定,更难失去电子;O、S同主族,S原子半径大于O原子,更易失去电子
[解析] (1)基态Zn原子的价层电子排布为3d104s2,3d、4s轨道均处于全充满的稳定状态,较难失去电子,基态Cu原子的价层电子排布为3d104s1,易失去最外层的1个电子变为3d10的全充满稳定结构,则Zn第一电离能较大。基态Cu原子的价层电子排布为3d104s1,较易失去4s轨道的1个电子,故有I1(Zn)>I1(Cu)。
3. (1)黄铜是人类最早使用的合金之一,主要由 Zn 和 Cu 组成。第一电离能I1(Zn) I1(Cu)(填“大于”或“小于”)。原因是 。
Zn核外电子排布为全满稳定状态,较难失去电子,Cu的价层电子排布为3d104s1,易失去4s电子变为3d10全充满稳定结构
(2)I1(Li)>I1(Na),原因是 。I1(Be)>I1(B)>I1(Li),原因是 。
[解析] (2)Na与Li同族,Na的电子层数多,原子半径大,易失电子,所以Li的第一电离能大于Na;Li、Be、B同周期,核电荷数依次增加,B的第一电离能失去的电子是2p能级的,该能级电子的能量比Be失去的2s能级电子的高,所以Be的第一电离能最大;与Li相比,B的核电荷数较大,原子半径较小,较难失去电子,第一电离能较大,所以第一电离能从大到小的顺序为Be>B>Li。
Na与Li同族,Na电子层数多,原子半径大,易失电子
Li、Be、B同周期,核电荷数依次增加,B的第一电离能失去的电子是2p能级的,该能级电子的能量比Be失去的2s能级电子的高,所以Be的第一电离能最大;与Li相比,B的核电荷数大,原子半径小,较难失去电子,第一电离能较大
4. (1)元素铜与镍的第二电离能分别为I2(Cu)=1958 kJ·ml-1、I2(Ni)=1753 kJ·ml-1,I2(Cu)>I2(Ni)的原因是 。 (2)下图表示碳、硅和磷元素的四级电离能变化趋势,其中表示磷的曲线是 (填字母)。
Cu的第二电离能失去的是全充满的3d10电子,Ni的第二电离能失去的是4s1电子
[解析] (2)C原子的价层电子排布为2s22p2,Si原子的价层电子排布为3s23p2,P原子的价层电子排布为3s23p3,由第一电离能规律可知,第一电离能:C>Si,P>Si,由于C的第一电离能失去2p电子,而P的第一电离能失去3p电子,则第一电离能:C>P>Si;当P原子失去3个电子后,再失去的一个电子为比3p能级能量低的3s能级的电子,需要的能量较多,即第四电离能较大,故符合此情况的曲线为b。
5. (1)已知两种有机物的相关数据如下表:化合物CH3CH2NH2的沸点高于CH3CH2F的原因是 。
两者均为分子晶体,CH3CH2NH2可以形成分子间氢键,使分子间作用力增大,而CH3CH2F不能
探究点二 范德华力、氢键对物质性质的影响及分析
(2)已知C2H5NH3NO3的熔点只有12 ℃,而NH4NO3的熔点为170 ℃,NH4NO3熔点高于C2H5NH3NO3的原因是 。
6. (1)苯胺与甲苯( )的相对分子质量相近,但苯胺的熔点(-5.9 ℃)、沸点(184.4 ℃)分别高于甲苯的熔点(-95.0 ℃)、沸点(110.6 ℃),原因是 。 (2)沸点:N2H4 P2H4(填“>”或“<”),判断依据是 。 (3)下图为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 。
甲苯分子间只存在范德华力,苯胺分子之间存在氢键
P2H4分子间只存在范德华力,N2H4分子间存在氢键
S8相对分子质量大,分子间范德华力强
H2O>CH3OH>CO2>H2
(4)研究发现,CO2低压合成甲醇的反应为CO2+3H2 = CH3OH+H2O,该反应所涉及的4种物质中,沸点从高到低的顺序为 ,原因是 。
H2O与CH3OH分子间均含氢键,沸点较高,前者氢键更多,沸点更高,CO2与H2分子间为范德华力,CO2的相对分子质量更大,范德华力更强,沸点更高
7. 按要求回答下列问题:(1)HCHO分子的空间结构为 形,它与H2加成后,加成产物的熔点、沸点比CH4的熔点、沸点高,其主要原因是(须指明加成产物是何物质) 。 (2)S位于周期表中第 族,该族元素气态氢化物中,H2Te比H2S沸点高的原因是 , H2O比H2Te沸点高的原因是 。
加成产物CH3OH分子之间能形成氢键
两者均为分子晶体且结构相似,H2Te相对分子质量比H2S大,分子间作用力更强
两者均为分子晶体,H2O分子之间存在氢键
[解析] (1)氧的电负性较大,则 中形成分子内氢键,即O—H…O(或—COO-中双键氧原子与羟基氢原子之间形成氢键),其大小介于化学键和范德华力之间,使—OH更难电离出H+,则水杨酸第二级电离平衡常数小于苯酚的电离平衡常数。
8. (1)已知苯酚( )具有弱酸性,其K=1.1×10-10;水杨酸第一级电离形成的离子 能形成分子内氢键,据此判断,相同温度下电离平衡常数:K2(水杨酸) (填“>”或“<”)K(苯酚),其原因是 。
[解析] (2)分子间氢键能使分子间作用力增大,使物质的熔点、沸点升高。
NH3分子间能形成氢键
(2)化合物NH3的沸点比化合物CH4的高,其主要原因是 。
(3)H2O分子内的O—H、分子间的范德华力和氢键从强到弱依次为 。 的沸点比 高,原因是 。
[解析] (3)氢键弱于共价键而强于范德华力。对羟基苯甲醛形成分子间氢键,邻羟基苯甲醛形成分子内氢键。
O—H>氢键>范德华力
9. [2023·北京人大附中期中] 应用原子力显微(AFM)技术可对分子的电子云进行成像。应用AFM技术对沉积于Cu表面的8-羟基喹啉( )成像。探测到电子的区域呈浅色。部分有机物熔点如下表:
(1)8-羟基喹啉分子间可形成O—H…N氢键,其原因是 。 (2)8-羟基喹啉的熔点明显低于7-羟基喹啉、6-羟基喹啉的熔点的原因是 。
[解析] (1)氮元素电负性大,能与氢原子形成氢键,所以8-羟基喹啉分子间可形成O—H…N氢键。(2)由于8-羟基喹啉能形成分子内氢键,7-羟基喹啉、6-羟基喹啉可以形成分子间氢键,所以8-羟基喹啉的熔点明显低于7-羟基喹啉、6-羟基喹啉的熔点。
氮元素电负性大,能与氢原子形成氢键
8-羟基喹啉能形成分子内氢键,7-羟基喹啉、6-羟基喹啉可以形成分子间氢键
[解析] (3)①8-羟基喹啉与苯相似,除含有σ键外,还含有大π键,使C、N原子的性质与普通的烷烃、烯烃、胺明显不同。②8-羟基喹啉分子间含有羟基,根据示意图可判断8-羟基喹啉分子间除O—H…N氢键外,还存在O—H…O、C—H…O、C—H…N等氢键。
(3)①8-羟基喹啉与苯相似,除含有σ键外,还含有 键,使C、N原子的性质与普通的烷烃、烯烃、胺明显不同。 ②实验结果表明,8-羟基喹啉分子间除O—H…N氢键外,还存在 等氢键。
O—H…O、C—H…O、C—H…N
10.(1)K和Cr属于同一周期,且核外最外层电子排布式相同,但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低,原因是 。
[解析] (1)K和Cr都是金属晶体,其熔点、沸点与金属键的强弱有关。K和Cr处于同一周期,且核外最外层电子排布相同,但K的原子半径比Cr大,且K的价层电子数比Cr少,则K的金属键比Cr弱,因此K的熔点、沸点比Cr低。
K原子半径较大且价层电子数较少,金属键较弱
探究点三 晶体的熔、沸点比较及原因分析
(2)GaF3的熔点高于1000 ℃,GaCl3的熔点为77.9 ℃,其原因是 。
[解析] (2)GaF3的熔点高于1000 ℃,GaCl3的熔点为77.9 ℃,其原因是二者所属晶体类型不同,GaF3是离子晶体,GaCl3是分子晶体,而一般离子晶体的熔点高于分子晶体的熔点。
GaF3为离子晶体,GaCl3为分子晶体
(3)四卤化硅SiX4的沸点和二卤化铅PbX2的熔点如图所示。 ①SiX4的沸点依F、Cl、Br、I次序升高的原因是 。 ②结合SiX4的沸点和PbX2的熔点的变化规律,可推断:依F、Cl、Br、I次序,PbX2中的化学键的离子性 、共价性 。(填“增强”“不变”或“减弱”)
SiX4属于分子晶体,相对分子质量越大,沸点越高
[解析] (3)①由题图可知四卤化硅的熔点逐渐升高,且均低于400 ℃,则四种物质均为分子晶体,其沸点与范德华力有关,相对分子质量越大,范德华力越大,其沸点越高。②PbX2的熔点逐渐降低,其中PbF2的熔点超过800 ℃,其余低于600 ℃,则PbF2为离子晶体,PbBr2、PbI2为分子晶体,据此推知,依F、Cl、Br、I次序,PbX2中的化学键的离子性减弱,共价性增强。
11.(1)氯化铝的熔点为190 ℃,而氟化铝的熔点为1290 ℃,导致这种差异的原因是 。 (2)CuO的熔点比CuS的高,原因是 。 (3)一些氧化物的熔点如下表所示:解释表中氧化物之间熔点差异的原因: 。
AlCl3是分子晶体,而AlF3是离子晶体
氧离子半径小于硫离子半径,所以CuO的离子键强,熔点较高
Li2O、MgO为离子晶体,P4O6、SO2为分子晶体;MgO的离子键比Li2O强,分子间作用力:P4O6>SO2
12.如图是元素周期表的一部分:(1)写出元素①的元素符号: ,与①同周期的主族元素中,第一电离能比①大的有 种。 (2)基态锑(Sb)原子的价层电子排布为 。[H2F]+[SbF6]-(氟酸锑)是一种超强酸,则[H2F]+的空间结构为 。
(3)下列说法正确的是 (填字母)。 a.N2H4分子中含5个σ键和1个π键b.基态P原子中,电子占据的最高能级符号为Mc.Sb 位于p区d.升温实现液氨→氨气→氮气和氢气变化的阶段中,微粒间破坏的主要的作用力依次是氢键、极性共价键
[解析] (3)N2H4分子的结构为 ,有4个N—H σ键,不含π键,一个N—N σ键,故a错误;基态P原子中,核外电子排布式为1s22s22p63s23p3,确定最高能级为3p能级,最高能层为M,故b错误;Sb最后排入的电子的能级为5p,根据元素周期表的分区确定Sb 位于p区,故c正确;升温实现液氨→氨气→氮气和氢气变化的阶段中,液氨→氨气,由液态变成气态,微粒间破坏的主要作用力是氢键,氨气→氮气和氢气破坏的是极性共价键,故d正确。
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