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阶段过关检测(六)(A) 物质结构与性质
(时间:90分钟 满分:100分)
共5小题,共100分
1.(15分)硼及其化合物应用广泛。回答下列问题:
(1)基态B原子的价电子排布图为 ,
其第一电离能比Be (填“大”或“小”)。
(2)氨硼烷(NH3BH3)被认为是最具潜力的新型储氢材料之一,分子中存在配位键,提供孤电子对的成键原子是 ,写出一种与氨硼烷互为等电子体的分子 (填化学式)。
(3)常温常压下硼酸(H3BO3)晶体结构为层状,其二维平面结构如图a。
①B原子的杂化方式为 。从氢键的角度解释硼酸在冷水中的溶解度小而加热时溶解度增大: 。
②路易斯酸碱理论认为,任何可接受电子对的分子或离子叫路易斯酸,任何可给出电子对的分子或离子叫路易斯碱。从结构角度分析硼酸是路易斯酸: 。
(4)立方氮化硼(BN)是特殊的耐磨和切削材料,其晶胞结构与金刚石相似,如图b所示。
①与氮原子直接连接的硼原子构成的几何形状为 。硼原子和氮原子所连接的最小环为 元环。
②晶胞有两个基本要素:
原子坐标参数,表示晶胞内部各原子的相对位置。如图b所示,其中原子坐标参数X为(0,0,0),Y原子的坐标参数为(1/2,0,1/2),则Z原子的坐标参数为 。
晶胞参数,描述晶胞的大小和形状。已知立方氮化硼的密度为d g∙c,阿伏加德罗常数的值为NA,则晶胞参数a= nm。(列出计算式即可)
解析:(1)B原子原子核内5个质子,基态B原子电子排布式是1s22s22p1,所以基态B原子的价电子排布图为;B原子价电子排布为2s22p1,Be原子价电子排布为2s2,处于全满的稳定结构,故B第一电离能比Be小。
(2)氨硼烷(NH3BH3)中,B的最外层有3个电子,结合3个H原子,还缺少两个电子就达稳定结构,而N结合3个H原子还有一个孤电子对,所以N提供孤电子对而B提供空轨道形成配位键;根据等电子体特点,具有相同的电子数目和原子数目,故C2H6与氨硼烷互为等电子体。
(3)①硼原子最外层只有3个电子,与氧原子形成3对共用电子对,价层电子对数为3,杂化轨道数为3,杂化类型为sp2;层内的H3BO3分子之间主要通过氢键相连,加热时部分氢键容易被破坏,所以硼酸在冷水中的溶解度小而加热时溶解度增大。②硼酸分子中心的B原子sp2杂化,有3个sp2和1个2p轨道,轨道总数就是4;B有3个价电子,分别在3个sp2轨道中和氧成键,那么成键数目是3;硼没有孤对电子,有一个2p空轨道,根据路易斯酸碱理论:任何可接受电子对的分子或离子叫路易斯酸,所以硼酸是路易斯酸。
(4)①立方氮化硼(BN)如图b,N(白色)占据立方体的8个顶点和6个面心,所以有8×+6×=4(个);B(黑色)占据小立方体(八分之一个晶胞)的中心,共4个,则一个晶胞中有4个N,4个B;与氮原子直接连接的硼原子构成的几何形状为正四面体,其中氮原子在体心,4个硼原子在顶点;硼原子和氮原子所连接的最小环为六元环。②原子坐标参数,表示晶胞内部各原子的相对位置。如图b所示,其中原子坐标参数X为(0,0,0),Y原子的坐标参数为(1/2,0,1/2),Z为B(黑色)占据小立方体(八分之一个晶胞)的中心,可知Z处于到各个面的处,则Z原子的坐标参数为(,,)。由已知立方氮化硼的密度为d g∙c,阿伏加德罗常数的值为NA,晶胞参数为a,N的相对原子质量为14,B的相对原子质量为11,则根据晶胞的质量列式:d×a3=,所以a= cm=×107 nm。
答案:(1) 小
(2)N C2H6
(3)①sp2 硼酸分子间通过氢键缔合,加热时部分氢键被破坏
②硼酸分子中B原子有一个2p空轨道
(4)①正四面体 六 ②(,,) ×107
2.(16分)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Ga原子价电子的排布图为 。
(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 ,乙二胺和三甲胺均属于胺。但乙二胺比三甲胺的沸点高很多,原因是
;
(6)Cu的某种晶体晶胞为面心立方结构,晶胞边长为a cm,铜原子的半径为r cm。该晶体密度为 g/cm3(用含a和NA的代数式表达),该晶体中铜原子的空间利用率为 (用含a和r的代数式表达)。
解析:(1)Ga是31号元素,根据构造原理写出Ga原子的电子排布式为 1s22s22p63s23p63d104s24p1,价电子排布式为4s24p1,基态Ga原子价电子的排布图为。
(2)GaN晶体结构与金刚石相似,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电子对形成配位键,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,故选c。(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。(6)Cu的某种晶体晶胞为面心立方结构,晶胞边长为a cm,铜原子的半径为r cm。晶胞中Cu原子数为8×+6×=4,ρ==;晶胞中4个原子的体积为V圆球=4·πr3,晶胞体积为a3,该晶体中铜原子的空间利用率为×100%。
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
(6) ×100%
3.导学号 96656270(20分)我国科学家最近成功合成了世界上首个五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl(用R代表)。回答下列问题:
(1)氮原子价层电子的轨道表达式(电子排布图)为 。
(2)元素的基态气态原子得到一个电子形成气态负一价离子时所放出的能量称作第一电子亲和能(E1)。第二周期部分元素的E1变化趋势如图(a)所示,其中除氮元素外,其他元素的E1自左而右依次增大的原因是 ;
氮元素的E1呈现异常的原因是 。
(3)经X射线衍射测得化合物R的晶体结构,其局部结构如图(b)所示。
①从结构角度分析,R中两种阳离子的相同之处为 ,
不同之处为 。(填标号)
A.中心原子的杂化轨道类型
B.中心原子的价层电子对数
C.立体结构
D.共价键类型
②R中阴离子中的σ键总数为 个。分子中的大π键可用符号表示,其中m代表参与形成大π键的原子数,n代表参与形成大π键的电子数(如苯分子中的大π键可表示为),则中的大π键应表示为 。
③图(b)中虚线代表氢键,其表示式为(N)N—H…Cl、 、
。
(4)R的晶体密度为d g·cm-3,其立方晶胞参数为a nm,晶胞中含有y个[(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl]单元,该单元的相对质量为M,则y的计算表达式为 。
解析:(1)N的价电子为2s22p3,所以轨道表达式(电子排布图)为。
(2)同周期元素随核电荷数依次增大,原子半径逐渐变小,故得到电子时所放出的能量依次增大。而N原子的2p轨道处于半充满状态,具有额外稳定性。
(3)①R中的两种阳离子为N、H3O+,其中心原子的杂化轨道均为sp3杂化,所形成的共价键为极性共价键,中心原子的价层电子对数N为4,O为4,所以相同之处为ABD,N为正四面体形,而H3O+为三角锥形,所以不同之处为C;
②由图知,σ键总数为5个,大π键;
③由图知还存在氢键(H3O+)O—H…N(),
(N)N—H…N()。
(4)晶胞体积为V=(a×10-9)3m3=a3×10-27 m3,
n=y/NA,m(晶胞)=M·n=,
由公式ρ=代入得(d×106)g/m3=
化简得y==。
答案:(1)
(2)同周期随核电荷数依次增大,原子半径逐渐变小,故结合一个电子释放出的能量依次增大 N原子的2p轨道为半充满状态,具有额外稳定性,故不易结合一个电子
(3)①ABD C ②5 ③(H3O+)O—H…N()
(N)N—H…N()
(4)(或×10-21)
4.(24分)A、B、C、D、E、F、G是原子序数依次增大的前四周期的元素,其中A是形成化合物最多的元素之一,并且其常见化合价为+1和-1,B元素基态原子价电子排布式为nsnnpn,D是地壳中含量最大的元素,E的氢氧化物具有两性,基态F3+的3d能级为半充满,GD是黑色固体,G2D为红色固体,回答下列问题:
(1)C元素的第一电离能 D元素的第一电离能(填“<”“>”或“=”)。B、C、D分别与A形成的简单化合物稳定性由高到低的顺序为 (用化学式表示)。
(2)C的立体构型为 ,B 的中心原子杂化类型为 。
(3)A、B、C形成3原子分子M,每个原子的价层电子均达到稳定结构。M分子的结构式为 ,写出与C互为等电子体的离子为 。
(4)基态G原子的电子排布式为 。
(5)F单质的晶胞如图所示,F原子可以近似看作刚性小球,请回答下列问题:
①F单质晶体中的配位数为 ;
②若晶体的密度为ρ g/cm3,F原子的半径为 cm(用含ρ的代数式表示,不必化简)。
解析:A是形成化合物最多的元素之一,并且其常见化合价为+1和-1,则A为H元素;D是地壳中含量最大的元素,则D为O元素;E的氢氧化物具有两性,则E为Al元素;GD是黑色固体,G2D为红色固体,则G为Cu元素;F3+基态离子的3d能级为半充满结构,则F3+核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d5,故F原子核外电子数为:23+3=26,则F为Fe元素;B元素基态原子价电子排布式为nsnnpn,则n=2,B的原子序数为6,则B为碳元素;C的原子序数大于碳元素小于O元素,则C为N元素。
(1)同周期自左而右元素第一电离能呈增大趋势,但N元素原子2p能级为半满稳定状态,能量较低,第一电离能高于同周期相邻元素,故第一电离能:N>O;非金属性越强,氢化物越稳定,非金属性:O>N>C,则氢化物稳定性为H2O>NH3>CH4。
(2)C为N,B为C,N中氮原子的价层电子对数为=3,氮原子有一对孤电子对,所以N的空间构型为V形;C中碳原子的价层电子对数为=3,所以碳原子的杂化方式为sp2杂化。
(3)A、B、C分别为H、C、O元素,H、C、O元素形成3原子分子M,每个原子的价层电子均达到稳定结构,则M分子的结构式为H—C≡N;C为N,与N互为等电子体的离子为C。
(4)G为Cu元素,Cu为29号元素,基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s1或[Ar]3d104s1。
(5)①图示Fe的晶胞为体心立方堆积方式,其配位数为8;
②Fe单质的晶胞结构为体心立方,晶胞中Fe原子数目为:1+8×=2,阿伏加德罗常数为NA,Fe原子的摩尔质量为56 g/mol,故晶胞质量为 g,设Fe原子半径为x,设晶胞棱长为y,晶胞中体对角线为4x,则(4x)2=y2+y2+y2,则y=x,晶胞体积为:V=y3=(x)3,若设该晶胞的密度为ρ(g/cm3),则晶胞质量=(x)3×ρ= g,整理得:x=×(cm)。
答案:(1)> H2O>NH3>CH4 (2)V形 sp2
(3)H—C≡N C
(4)1s22s22p63s23p63d104s1或3d104s1
(5)①8 ②×
5.(25分)前四周期原子序数依次增大的六种元素A、B、C、D、E、F中,A、B属于同一短周期元素且相邻,A元素所形成的化合物种类最多,C、D、E、F是位于同一周期的金属元素,基态C、F原子的价电子层中未成对电子均为1个,且C、F原子的电子数相差为10,基态D、E原子的价电子层中未成对电子数分别为4、2,且原子序数相差为2。
(1)六种元素中第一电离能最小的是 (填元素符号,下同),电负性最大的是 。
(2)黄血盐是由A、B、C、D四种元素形成的配位化合物 K4Fe(CN)6,易溶于水,广泛用作食盐添加剂(抗结剂)。1 mol AB-中含有π键的数目为 ,黄血盐晶体中各种微粒间的作用力不涉及 (填序号)。
a.离子键 b.共价键 c.配位键
d.金属键 e.氢键 f.分子间作用力
(3)E2+的价层电子排布图为 ,很多不饱和有机物在E催化下可与H2发生加成反应:如①、②HC≡CH、③、④HCHO。其中碳原子采取sp2杂化的分子有 (填物质序号),HCHO分子的立体结构为 形,它加成产物的熔、沸点比CH4的熔、沸点高,其主要原因是(须指明加成产物是何物质) 。
(4)金属C、F晶体的晶胞结构如图(请先判断对应的图),C、F两种晶体晶胞中金属原子的配位数之比为 。金属C的晶胞中,若设该晶胞的密度为a g/cm3,阿伏加德罗常数为NA,C原子的摩尔质量为M,则表示C原子半径的计算式为 。
解析:前四周期原子序数依次增大的六种元素A、B、C、D、E、F中,A、B属于同一短周期元素且相邻,A元素所形成的化合物种类最多,则A为碳元素、B为N元素;C、D、E、F是位于同一周期的金属元素,只能处于第四周期,基态C、F原子的价电子层中未成对电子均为1个,且C、F原子的电子数相差为10,可推知C为K、F为Cu,基态D、E原子的价电子层中未成对电子数分别为4、2,且原子序数相差为2,D、E价电子排布分别为3d64s2、3d84s2,故D为Fe、E为Ni。
(1)六种元素中K的金属性最强,其第一电离能最小,非金属性越强电负性越大,故电负性最大的是N。
(2)黄血盐的化学式K4Fe(CN)6,CN-与氮气互为等电子体,CN-中存在C≡N三键,故1 mol CN-中含有π键的数目为2NA,黄血盐晶体中含有离子键、配位键、共价键,没有金属键、氢键、分子间作用力。
(3)Ni2+的价层电子排布式为3d8,故价电子排布图为;①、③、④HCHO中C原子价层电子对数都是3,没有孤电子对,C原子采取sp2杂化,②HC≡CH中C原子价层电子对数是2,没有孤电子对,C原子采取sp杂化,故碳原子采取sp2杂化的分子为:①③④;HCHO分子的中心C原子采取sp2杂化,没有孤电子对,则其立体结构为平面三角形,它加成产物为甲醇,甲醇分子之间形成氢键,其熔、沸点比CH4的熔、沸点高。
(4)金属K晶体为体心立方堆积,晶胞结构为图Ⅰ,晶胞中K原子配位数为8,金属Cu晶体为面心立方最密堆积,晶胞结构为图Ⅱ,以顶点Cu原子研究与之最近的原子位于面心,每个顶点Cu原子为12个面共用,晶胞中Cu原子配位数为12,K、Cu两种晶体晶胞中金属原子的配位数之比为 8∶12=2∶3;金属K的晶胞中,K原子数目=1+8×=2,若K原子的摩尔质量为M,阿伏加德罗常数为NA,则晶胞质量= g,设该晶胞的密度为a g/cm3,则晶胞体积V== cm3,晶胞棱长= cm,设K原子半径为r,则晶胞体对角线长度=4r,故3( cm)2=(4r)2,解得:r=×cm。
答案:(1)K N (2)2NA def (3)
①③④ 平面三角 加成产物CH3OH分子之间能形成氢键 (4)2∶3 × cm
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