1、考点规范练 37 晶体结构与性质(时间:45 分钟 满分:100 分)非选择题(共 5 小题,共 100 分)1.(20 分)锂的某些化合物是性能优异的材料。请回答:(1)如图是某电动汽车电池正极材料的晶胞结构示意图,其化学式为 ,其中 Fen+的基态电子排布式为 ,P 的空间构型为 。 3-4(2)Li 与 Na 中第一电离能较小的元素是 ;LiF 与 NaCl 晶体中熔点较高的是 。 (3)氮 化锂是一种良好的储氢材料,其在氢气中加热时可吸收氢气得到氨基锂(LiNH 2)和氢化锂,氢化锂的电子式为 ,上述反应的化学方程式为 。 (4)金属锂为体心立方晶胞,其配位数为 ;若其晶胞边长为 a
2、pm,则锂晶体中原子的空间占有率是 。 (5)有机锂试剂在有机合成中有重要应用,但极易与 O2、CO 2等反应。下列说法不正确的是 (填字母序号)。 A.CO2中 键与 键的数目之比为 11B.游离态和化合态锂元素均可由特征发射光谱检出C.叔丁基锂(C 4H9Li)中碳原子的杂化轨道类型为 sp3和 sp22.(20 分)氮及 其化合物与生产、生活联系密切。回答下列问题:(1)基态 15N 中有 个运动状态不相同的电子,砷元素在元素周期表中位于第四周期且和氮元素同主族,基态砷原子的电子排布式为 。 (2)元素 C、N、O 的第一电离能由大到小排列的顺序为 (用元素符号表示),NF 3分子的空间
3、构型为 。 (3)氨基乙酸(H 2NCH2COOH)分子中,碳原子的杂化轨道类型有 ;1 mol H 2NCH2COOH 中含有 键的数目为 ,二氧化碳为氨基乙酸分解的产物之一,写出二氧化碳的一种等电子体 (填化学式)。 (4)三氟化硼与氨气相遇,立即生成白色固体,写出该白色固体的结构式: (标注出其中的配位键);利用“卤化硼法”可合成含 B 和 N 两种元素的功能陶瓷,图 1 为该晶体的晶胞结构,该功能陶瓷晶体的化学式为 。 (5)铁与氨气在 640 时可发生置换反应,其中一种产物的晶胞结构如图 2 所示,该反应的化学方程式为 。已知该晶胞的边长为 a nm,则该晶体的密度为 gcm-3(设
4、 NA为阿伏加德罗常数的数值)。 3.(2017 黑龙江大庆二模)(20 分)氮元素可以形成多种化合物。回答下列问题:(1)基态氮原子的价电子排布式是 ;C、N、O 三种元素电负性从小到大的顺序是 。 (2)肼(N 2H4)分子中氮原子轨道的杂化类型是 ;肼可用作火箭燃料,燃烧时发生的反应是N2O4(l)+2N2H4(l) 3N2(g)+4H2O(g) H=-1 048.9 kJmol-1,若该反应中 8 mol NH 键断裂,则形成的 键有 mol;肼能与硫酸反应生成 N2H6SO4,其晶体类型与硫酸铵相同,则 N2H6SO4晶体内不存在 (填字母)。 A.离子键 B.共价键C.配位键 D.
5、范德华力(3)氨是 (填“极性”或“非极性”)分子;氨的沸点高于膦(PH 3)的原因是 。 (4)将氨气通入硫酸铜水溶液中形成Cu(NH 3)4SO4深蓝色溶液,Cu(NH 3)4SO4中阴离子的立体构型是 。 (5)单质铜和镍都是由金属键形成的晶体,元素铜和镍的第二电离能分别为:ICu=1 959 kJmol-1,INi=1 753 kJmol-1,ICuINi的原因是 。 某镍白铜合金的立方晶胞结构如图所示。晶胞中镍原子与铜原子的个数比为 。若合金的密度为 d gcm-3,晶胞参数为 a nm,则 a= 。 4.(20 分)太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能 的装置
6、。其材料有单晶硅,还有铜、锗、镓、硒等化合物。(1)亚铜离子(Cu +)基态时核外电子排布式为 ;其电子占据的原子轨道数目为 个。 (2)图甲表示碳、硅和磷元素的四级电离能变化趋势,其中表示磷的曲线是 (填标号)。 碳、硅和磷元素的四级电离能变化趋势甲二氧化硅晶体结构 氮化镓晶体结构乙 丙(3)单晶硅可由二氧化硅制得,二氧化硅晶体结构如图乙所示,在二氧化硅晶体中,Si、O 原子所连接的最小环为十二元环,则每个硅原子连接 个十二元环。 (4)氮化镓(GaN)的晶体结构如图丙所示,常压下,该晶体熔点为 1 700 ,故其晶体类型为 ;判断该晶体结构中存在配位键的依据是 。 (5)与镓元素处于同一主
7、族的硼元素具有缺电子性,因而硼酸(H 3BO3)在水溶液中能与水反应生成B(OH)4-。B(OH) 4-中硼原子的杂化轨道类型为 ;不考虑空间构型,B(OH) 4-中原子的成键方式用结构简式表示为 。 (6)某光电材料由锗的氧化物与铜的氧化物按一定比例熔合而成,其中锗的氧化物晶胞结构如图所示,该物质的化学式为 。已知该晶体密度为 7.4 gcm-3,晶胞边长为 4.310-10 m,则锗的相对原子质量为 (保留小数点后一位)。 5.(20 分)碳是地球上组成生命的最基本元素之一,可以 sp3、sp 2和 sp 杂化轨道成共价键,具有很强的结合能力,与其他元素结合成不计其数的无机物和有机化合物,
8、构成了丰富多彩的世界。碳及其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)基态碳原子核外有 种空间运动状态的电子,其价电子排布图为 。 (2)光气的分子式为 COCl2,又称碳酰氯 ,是一种重要的含碳化合物,判断其分子立体构型为 ,其碳原子杂化轨道类型为 杂化。 (3)碳酸盐在一定温度下会发生分解,实验证明碳酸盐的阳离子不同、分解温度不同,如表所示:碳酸盐 MgCO3 CaCO3 BaCO3 SrCO3热分解温度/ 402 900 1 172 1 360阳离子半径/pm 66 99 112 135试解释为什么随着阳离子半径的增大,碳酸盐的分解温度逐 步升高? 。 (4)碳的一种同素
9、异形体C 60(结构如图甲),又名足球烯,是一种高度对称的球碳分子。立方烷(分子式为 C8H8,结构是立方体,结构简式为 )是比 C60约早 20 年合成出的一种对称型烃类分子,而现如今已合成出一种立方烷与 C60的复合型分子晶体,该晶体的晶胞结构如图乙所示,立方烷分子填充在原 C60晶体的分子间空隙中。则该复合型分子晶体的组成用二者的分子式可表示为 。 (5)碳的另一种同素异形体石墨,其晶体结构如图丙所示,虚线勾勒出的是其晶胞。则石墨晶胞含碳原子个数为 个。 已知石墨的密度为 gcm-3,CC 键键长为 r cm,设阿伏加德罗常数的值为 NA,计算石墨晶体的层间距为 cm。 (6)碳的第三种
10、同素异形体金刚石,其晶胞如图丁所示。已知金属钠的晶胞(体心立方堆积)沿其体对角线垂直在纸平面上的投影图如图 A 所示,则金刚石晶胞沿其体对角线垂直在纸平面上的投影图应该是图 (从 AD 图中选填)。 参考答案考点规范练 37 晶体结构与性质1.答案 (1)LiFePO 4 Ar3d 6 正四面体(2)Na LiF(3)Li+ H- Li 3N+2H2 LiNH2+2LiH(4)8 100%38(5)C解析 (1)晶胞中 Li+个数为 8 +4 +2 +1=4,Fen+个数为 4,P 个数为 4,因此晶体的化学式18 14 12 3-4为 LiFePO4;其中铁的化合价为+2 价,即 n=2,则
11、 Fe2+的基态电子排布式为Ar3d 6;P 中磷原子的3-4价层电子对数是 4,没有孤电子对,所以 P 的空间构型为正四面体形。3-4(2)同主族元素 从上到下第一电离能减小,故 Li 和 Na 中第一电离能较小的元素是 Na;LiF 的晶格能大于 NaCl,故 LiF 的熔点比 NaCl 高。(4)由于金属锂为体心立方晶胞,所以其配位数为 8,若其晶胞边长为 a pm,则锂原子半径 r= a pm,34一个晶胞中有两个锂原子,所占体积为 2 r3 pm3=2 ( a)3 pm3= a3 pm3,晶胞的体积43 43 34 38为 a3 pm3,则晶体中原子的空间占有率是 100%= 100
12、%。383333 38(5)CO2的结构式为 O C O,C O 双键中有 1 个 键、1 个 键,因此 CO2中 键与 键的数目之比为 22=11,A 项正确;不同元素的原子光谱上的特征谱线不同,故游离态和化合态锂元素均可由特征发射光谱检出,B 项正确;叔丁基锂(C 4H9Li)中碳原子的杂化轨道类型为 sp3杂化,C 项错误。2.答案 (1)7 1s 22s22p63s23p63d104s24p3(2)NOC 三角锥形(3)sp3、sp 2 9 NA N 2O 或 等-3(4) BN(5)8Fe+2NH3 2Fe4N+3H2 2.3810233解析 (1)基态 15N 的核外有 7 个电子
13、,所以有 7 个运动状态不同的电子,砷元素位于第四周期且和氮元素同主族,为 33 号元素,其核外电子排布式为 1s22s22p63s23p63d104s24p3。(2)同周期元素从左向右,第一电离能呈增大趋势,但第A 族和第A 族元素由于存在全满或半满状态,是一种稳定结构,第一电离能高于同周期相邻元素,所以 C、N、O 的第一电离能由大到小排列的顺序为 NOC,NF3分子中氮原子的价层电子对数为 3+ =4,有 1 对孤电子对,所以分子的空间5-32构型为三角锥形。(3)氨基乙酸(H 2NCH2COOH)中,CH 2中的碳原子周围有四个 键,杂化类型为 sp3杂化,羧基中的碳原子周围有三个 键
14、,没有孤电子对,杂化类型为 sp2杂化,1 mol H 2NCH2COOH 中含有 9 mol 键,所以 键的数目 9NA,一个二氧化碳分子中有三个原子,价电子数为 16,与之互为等电子体的为 N2O、 等。-3(4)三氯化硼和三氟化硼常温下都是气体,所以它们固态时的晶体类型为分子晶体,硼元素具有缺电子性,其化合物可与具有孤电子对的分子或离子形成配合物,BF 3能与 NH3反应生成 BF3NH3,B 与 N之间形成配位键,氮原子含有孤电子对,所以氮原子提供孤电子对,BF 3NH3结构式为。根据图 1,利用均摊法可知,晶胞中含有硼原子数为 4,晶胞中含有氮原子数为8 +6 =4,所以化学式为 B
15、N。18 12(5)该晶胞中铁原子个数=8 +6 =4,氮原子 个数是 1,所以氮化铁的化学式是 Fe4N,铁与氨气在18 12640 可发生置换反应生成氢气和氮化铁,所以该反应的化学方程式为 8Fe+2NH3 2Fe4N+3H2,该晶胞的边长为 a nm,则晶胞的体积为( a10-7)3cm3,所以密度为 gcm-3=238(10-7)3gcm-3。2.38102333.答案 (1)2s 22p3 CNO(2)sp3 11 D(3)极性 氨分子之间存在氢键(4)正四面体(5)铜的价电子排布式为 3d104s1,失去 1 个电子后形成 3d10稳定结构,再失去 1 个电子需要较多的能量 13
16、( 107251)13解析 (1)N 为 7 号元素,其基态电子排布式为 1s22s22p3,价电子排布式为 2s22p3。C、N、O 位于同一周期,原子序数依次增大,而同一周期元素(稀有气体元素除外)随原子序数递增,电负性增大,所以电负性顺序为 CNO。(2)肼的电子式为 H,N 原子通过 键连接 2 个 H 原子和另 1 个 N 原子,还存在 1 对孤电子对,所以价层电子对数目为 4,杂化类型为 sp3。2 mol N 2H4参加反应时,分子中断裂的 NH 键为 8 mol,生成 3 mol N2中含有 3 mol 键,4 mol H 2O 中含有 8 mol 键,共生成 11 mol 键
17、。N2H6SO4是 N2H4分子中的两个 N 的孤电子对分别与 H+通过配位键形成 N2 ,再通过离子键与 S2+6形成盐,所以晶体内存在离子键、共价键和配位键,不存在的是范德华力。2-4(3)NH3中中心原子成键电子对数目为 3,孤电子对数目为 1,总电子对数目是 4,所以 N 原子采用 sp3杂化,分子空间结构是三角锥形,负电荷重心位于 N 原子,正电荷重心位于三个 H 原子形成的正三角形中心,所以正负电荷重心不重合,NH 3为极性分子。液氨除了存在分子间的范德华力外,分子间还存在较强的氢键,而膦仅存在分子间的范德华力,所以氨的沸点高于膦。(4)S 价层电子对数= =4,中心原子采用 sp
18、3杂化,无孤电子对,因此 S 为空间正四面体2-4 6+22 2-4结构。(5)28 号元素 Ni 的核外电子排布式为 1s22s22p63s23p63d84s2,失去 1 个电子后核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d84s1;29 号元素 Cu 的核外电子排布式为 1s22s22p63s23p63d104s1,失去 1 个电子后核外电子排布式为 1s22s22p63s23p63d10,由于 3d10是全充满的稳定结构,故 Cu 更难失去第二个电子,即 Cu 的第二电离能更大。晶胞中含 Ni 原子数目 8 =1,Cu 原子数目 6 =3,Ni、Cu 原子数目比18 12为 13。
19、晶胞体积( a10-7 cm)3,晶胞中含有 3 个 Cu 原子和 1 个 Ni 原子,总质量为 (59+364)g,则合金密度 d= ,a= 107。(59+364) (10-7)3 32511021 =32514.答案 (1)1s 22s22p63s23p63d10 14 (2)b (3)12 (4)原子晶体GaN 晶体中,每 1 个镓原子与 4 个氮原子结合,而镓原子只有 3 个价电子,故需提供 1 个空轨道形成配位键(5)sp3 或(6)GeO 72.5解析 (1)基态铜原子的核外电子排布式为 1s22s22p63s23p63d104s1,失去 4s 轨道上的 1 个电子变成基态 Cu
20、+,则基态 Cu+的电子排布式为 1s22s22p63s23p63d10或Ar3d 10,电子占据 1 个 1s 轨道、1 个 2s轨道、3 个 2p 轨道、1 个 3s 轨道、3 个 3p 轨道和 5 个 3d 轨道,故电子占据轨道数目为1+1+3+1+3+5=14。(2)碳、硅和磷三种元素中,硅元素的第一电离能最小,则曲线 c 代表硅;碳、磷原子的价电子排布式分别为 2s22p2、3s 23p3,显然碳原子失去 2p 轨道的 2 个电子较易,失去 2s 轨道的 2 个电子较难,故碳元素的第一、二级电离能明显小于第三、四级电离能;磷原子失去 3p 轨道的 3 个电子相对较易,失去 3s 轨道
21、的 2 个电子较难,故磷元素的第四级电离能明显大于第一、二、三级电离能,图中曲线 a 代表碳,曲线 b 代表磷。(3)二氧化硅晶体的结构与金刚石相似,硅原子周围有 4 个共价键与其相连,其中任意两个共价键向外都可以连有 2 个最小的环,故每个硅原子连接的十二元环的数目为 3212=12 个。(4)氮化镓(GaN)的熔点为 1 700 ,晶体结构与金刚石类似,故氮化镓属于原子晶体。由氮化镓晶体结构可知,每个镓原子与 4 个氮原子相结合,而镓原子最外层有 3 个价电子,故需要提供 1 个空轨道形成配位键。(5)B(OH)4-离子中硼原子形成 4 个 BO 键且不含未成键的孤电子对,则硼原子采取 s
22、p3杂化。硼原子最外层有 3 个电子,可与 3 个氧原子形成 BO 键,另外 1 个 BO 键为配位键,其中硼原子提供空轨道,氧原子提供成键电子对,故B(OH) 4-的结构简式为 (或 )。(6)由锗的氧化物晶胞结构可知,氧原子位于晶胞的 8 个顶点和 6 个面心,4 个锗原子位于晶胞内部,则每个晶胞中含有 4 个锗原子,含有氧原子数目为 8+ 6=4 个,Ge 和 O 原子个数之比为18 1244=11,故该锗的氧化物的化学式为 GeO。晶胞的边长为 4.310-10 m=4.310-8 cm,则晶胞的体积为 V=(4.310-8 cm)37.9510 -23 cm3,晶体的密度为 =7.4
23、 gcm-3,设 Ge 的摩尔质量为 M,则有 = ,M= -16 gmol-1=4(+16 -1) 4-7.4 -37.9510-2336.021023-1416 gmol-172.5 g mol-1,故其相对原子质量为 72.5。5.答案 (1)6 (2)平面三角形 sp 2(3)因为碳酸盐的分解过程实际上是晶体中阳离子结合 C 中的氧离子、使 C 分解为 CO2的2-3 2-3过程,所以当阳离子所带电荷相同时,阳离子半径越小,其结合氧离子能力就越强,对应的碳酸盐就越容易分解(4)C8H8C60(或 C60C8H8)(5)4 16332(6)D解析 (1)原子核外的电子运动状态各不相同,有
24、几个电子就有几种 运动状态,故基态碳原子核外有6 种空间运动状态的电子,碳原子价电子排布图为 。(2)光气 COCl2的中心碳原子的价层电子对数为 3,分别与两个 Cl 和一个 O 形成三个 键,没有孤电子对,则其分子立体构型为平面三角形,碳原子为 sp2杂化。(4)根据复合型分子晶体的晶胞结构可知,一个晶胞中含有 C60的分子个数为 8 +6 =4,含有18 12C8H8的分子个数为 4,则该复合型分子晶体的组成可以表示为 C8H8C60或 C60C8H8。(5)石墨的晶胞结构如图,设晶胞的底边长为 a cm,高为 h cm,层间距为 d cm,则 h=2d,从图中可以看出石墨晶胞含有 4 个碳原子,则:=rsin 60a= r2 3 gcm-3= =4-1()()2 60d= cm。4-112 -1(3)23223 16332(6)由金刚石的晶胞结构可知金刚石的晶胞相当于一个大的体心立方堆积中套一个小的体心立方堆积,故根据金属钠的晶胞沿其体对角线垂直在纸 面上的投影图,可知金刚石的晶胞沿其体对角线垂直在纸面上的投影图为 D 图示。
