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1非选择题专项训练四物质结构与性质(选修)题型专项训练第47页1.碳、硅两元素广泛存在于自然界中。请回答下列问题:(1)基态14C原子的核外存在对自旋状态相反的电子,硅原子的电子排布式为。(2)晶体硅的结构与金刚石非常相似。晶体硅中硅原子的杂化方式为杂化;金刚石、晶体硅和金刚砂(碳化硅)的熔点由高到低的顺序为。(3)科学研究结果表明,碳的氧化物CO2能够与H2O借助于太阳能制备HCOOH。其反应原理如下:2CO2+2H2O2HCOOH+O2,则生成的HCOOH分子中σ键和π键的个数比是。(4)碳单质有多种形式,其中C60、石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示:①C60、石墨烯与金刚石互为。②C60形成的晶体是分子晶体,C60分子中含有12个五边形和20个六边形,碳与碳之间既有单键又有双键,已知C60分子所含的双键数为30,则C60分子中有个C—C键(多面体的顶点数、面数和棱边数的关系,遵循欧拉定理:顶点数+面数-棱边数=2)。在石墨烯晶体中,每个C原子连接个六元环;在金刚石晶体中,每个C原子连接的最小环也为六元环,六元环中最多有个C原子在同一平面。③金刚石晶胞含有个碳原子。若碳原子的半径为r,金刚石晶胞的边长为a,根据硬球接触模型,则r=a,碳原子在晶胞中的空间占有率为(不要求计算结果)。答案:(1)21s22s22p63s23p2(2)sp3金刚石金刚砂晶体硅(3)4∶1(4)①同素异形体②6034③8√√解析:(1)14C原子核外的电子排布式为1s22s22p2,两个s轨道上分别有2个自旋状态相反的电子,根据洪特规则,另两个p电子分居在两个轨道上;硅原子的电子排布式为1s22s22p63s23p2。(2)晶体硅的每个原子均形成了四个Si—Si键,所以硅原子采用sp3杂化;金刚石、晶体硅和金刚砂(碳化硅)三种晶体的结构相似,均为原子晶体,根据键长可以判断三种晶体的熔点由高到低的顺序为:金刚石金刚砂晶体硅。(3)HCOOH分子中有1个σC—H键、1个σO—H键、2个σC—O键和1个πC—O键,即σ键和π键的个数比是4∶1。(4)①C60、石墨烯与金刚石为不同结构的碳单质,三者互为同素异形体。②已知C60的顶点数为60,面数为32,由欧拉定理计算键数(即棱边数):60+(12+20)-2=90,已知该分子中含双键30个,C60分子中的单键数为:90-30=60。在石墨烯晶体中,每个C原子连接3个六元环。由金刚石的晶体结构图可以看出,六元环中最多有4个C原子在同一平面。③由金刚石的晶胞结构可看出,碳原子位于晶胞的顶点、面心和体内,故晶胞中含有的碳原子数目为×8+×6+4=8。根据硬球接触模型可知,在立方体的对角线上碳原子紧密接触,故8r=√a,则r=√a,8个碳原子的体积为8×πr3=8×π×(√a)3=√,故原子利用率为√。2.开发新型储氢材料是氢能利用的重要研究方向。2(1)Ti(BH4)3是一种储氢材料,可由TiCl4和LiBH4反应制得。①基态Ti3+的未成对电子有个。②LiBH4由Li+和B-构成,B-呈四面体构型,LiBH4中不存在的作用力有(填标号)。A.离子键B.共价键C.金属键D.配位键③Li、B、H元素的电负性由大到小排列顺序为。(2)金属镍与镧(La)形成的合金是一种良好的储氢材料,其晶胞结构示意图如图所示。该合金的化学式为。答案:(1)①1②C③HBLi(2)LaNi5解析:(1)①基态Ti3+的核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d1,其未成对电子数是1;②Li+和B-之间存在离子键,硼原子和氢原子之间存在共价键、配位键,所以该化合物中不含金属键,故选C;③非金属性越强其电负性越大,非金属性最强的是H,其次是B,最小的是Li,所以Li、B、H的电负性由大到小排列顺序为HBLi。(2)La的原子个数=×8=1,Ni的原子个数=8×+1=5,所以该合金的化学式为LaNi5。3.H、C、N、O都属于自然界中常见的非金属元素。(1)O、C、N三种元素中第一电离能最大的元素的基态原子的电子排布式为。(2)与N2互为等电子体,的电子式可表示为,中σ键数目和π键数目之比为。(3)乙二胺(结构简式为H2N—CH2—CH2—NH2)分子中的碳原子的杂化轨道类型为,Cu2+与乙二胺可形成配离子,该配离子中含有的化学键类型有(填字母)。A.配位键B.极性键C.离子键D.非极性键(4)CO和N2的键能数据如下表所示(单位:kJ·mol-1):物质化学键A—B(A)AB(A)A≡B(A)CO357.7798.91071.9N2154.8418.4941.7结合数据说明CO比N2活泼的原因:。(5)C、N元素形成的新材料的晶胞具有如图所示结构,该晶体硬度超过目前世界上最硬的金刚石,成为超硬新材料,若晶胞边长为acm,则该晶体的密度是g·cm-3(只要求列算式,不必计算出数值,阿伏加德罗常数的值为NA)。答案:(1)1s22s22p3(2)[∶O︙︙O∶]2+1∶2(3)sp3ABD3(4)虽然C≡O键的键能高达1071.9kJ·mol-1,比N≡N键的键能大,但是断裂1molCO分子中第一个π键需要的能量只有273.0kJ,而断裂1molN2分子中第一个π键需要的能量是523.3kJ,CO的第一个π键更易断裂(5)解析:(1)由于氮原子2p轨道上的电子处于半充满状态,失去1个电子需要较高能量,所以第一电离能在O、C、N三种元素中最大,C的原子半径大于O的,失去1个电子所需能量低于O失去1个电子所需能量,故第一电离能大小顺序为CON,基态氮原子的电子排布式为1s22s22p3。(2)由于与N2互为等电子体,其结构相似,故根据N2分子的电子式可推写出的电子式为[∶O︙︙O∶]2+,该离子中存在1个三键,所以含有1个σ键和2个π键,二者的数目之比为1∶2。(3)H2N—CH2—CH2—NH2分子中的碳原子的杂化轨道类型类似于CH4分子中的碳原子的,为sp3杂化。根据配离子的结构,Cu2+与氮原子以配位键结合,碳原子之间以非极性键结合,N与C、N与H、C与H原子间以极性键结合。(4)N2、CO参与反应时,首先要断裂化学键,在CO分子中断裂1mol第一个π键需要的能量=1071.9kJ-798.9kJ=273.0kJ,在N2分子中断裂1mol第一个π键需要的能量=941.7kJ-418.4kJ=523.3kJ,可见CO的第一个π键更易断裂,其活泼性也比N2的强。(5)根据“均摊法”可知,每个晶胞中含有碳原子数=8×+4×=3,氮原子全部位于晶胞内部,其数目为4,故其化学式为C3N4。1个晶胞的质量为g,体积为a3cm3,因此该晶体的密度=g·cm-3。4.由Cu、N、B、Ni等元素组成的新型材料有着广泛用途。(1)基态Cu+的最外层核外电子排布式为。(2)研究者预想合成一个纯粹由氮组成的新物种-,若N5+中每个氮原子均满足8电子结构,以下有关N5+推测正确的是。A.有24个电子B.中存在三对未成键的电子对C.中存在两个氮氮三键(3)化合物A(H3BNH3)是一种潜在的储氢材料,它可由六元环状化合物(HBNH)3通过3CH4+2(HBNH)3+6H2O3CO2+6H3BNH3制得。①与上述化学方程式有关的叙述不正确的是(填标号)。A.反应前后碳原子的轨道杂化类型不变B.CH4、H2O、CO2分子立体构型分别是:正四面体形、V形、直线形C.第一电离能:NOCBD.化合物A中存在配位键②1个(HBNH)3分子中有个σ键。(4)在硼酸盐中,阴离子有链状、环状等多种结构形式。图(a)是一种链状结构的多硼酸根,则多硼酸根离子符号为。图(b)是硼砂晶体中阴离子的环状结构,其中硼原子采取的杂化类型为。答案:(1)3s23p63d10(2)C(3)①A②12(4)[BO2-(或B-)sp2、sp3解析:(1)Cu是29号元素。基态Cu+的核外有28个电子,轨道处于全空、全满或半满时较稳定,故最外层电子排布式为3s23p63d10。(2)中有34个电子,A项错;中每个氮原子均满足8电子结构,则每个氮原子要形成3个共用电子对,每个氮原子还剩下1对孤电子对,那么未成键的电子对为5对,B项错;中存在两个氮氮三键,C项对。(3)①CH4是sp3杂化,CO2中的碳原子的轨道杂化类型是sp杂化,轨道杂化方式改变,A项错;CH4、H2O、CO2分子立体构型分别是:正四面体形、V形、直线形,B项对;非金属性越强,第一电离能越大。但是由于氮原子的最外层p轨道处于半充满的稳定状态,所以其第一电离能比氧元素的还大,故第一电离能大小为NOCB,C项对;在化合物A中氮原子上存在4配位键,D项对;②根据(HBNH)3的分子结构是六元环,共9个单键、3个双键,故1个(HBNH)3分子中有12个σ键。(4)由图(a)可知多硼酸根离子符号为[BO2-(或B-);由图(b)硼砂晶体可知其中硼原子采取的杂化类型为sp2、sp3。5.碳元素不仅能形成丰富多彩的有机化合物,而且还能形成多种无机化合物,同时自身可以形成多种单质,碳及其化合物的用途广泛。(1)C60分子中每个原子接2个单键和一个双键,它与F2发生加成反应,其加成产物的分子式为;C60的晶体结构类似于干冰,则每个C60晶胞的质量为(用含NA的式子表示)。(2)干冰和冰是两种常见的分子晶体,下列关于两种晶体的比较中正确的是。A.晶体的密度:干冰冰B.晶体的熔点:干冰冰C.晶体中的空间利用率:干冰冰D.晶体中分子间相互作用力类型相同(3)金刚石和石墨是碳元素形成的两种常见单质,下列关于这两种单质的叙述中正确的有。A.金刚石中碳原子的杂化类型为sp3杂化,石墨中碳原子的杂化类型为sp2杂化B.晶体中共价键的键长:金刚石C—C石墨中C—CC.晶体的熔点:金刚石石墨D.晶体中共价键的键角:金刚石石墨E.金刚石晶体中只存在共价键,石墨晶体中则存在共价键、金属键和范德华力F.金刚石和石墨的熔点都很高,所以金刚石和石墨都是原子晶体(4)立方BN结构与金刚石相似,晶胞结构如下图,在BN晶体中,B周围最近的N所构成的立体图形为,B与N之间共价键与配位键的数目比为,一个晶胞中N数目为。(5)碳与孔雀石共热可以得到金属铜,铜原子的原子结构示意图为,金属铜采用面心立方最密堆积,则Cu的晶体中铜原子的配位数为。已知Cu单质的晶体密度为ρg·cm-3,Cu的相对原子质量为M,阿伏加德罗常数的数值为NA,则Cu的原子半径为。答案:(1)C60F60g(2)AC(3)AE(4)正四面体3∶14(5)12√√cm解析:(1)C60中双键个数为×60=30,加成产物的分子式为C60F60。设每个C60晶胞的质量为x,则x·NA=4×720g·mol-1x=-g。(2)干冰是面心立方堆积而冰是体心立方堆积,所以干冰的密度大于冰,空间利用率也大。(4)B原子最外层有3个电子,所以B与N之间共价键与配位键的数目之比为3∶1。(5)设晶胞的棱长为a。则a3·ρ·NA=4Ma=√面对角线为√√。设铜原子半径为r,则4r=√√5r=√√cm。