1、晶体结构与性质(45分钟100分)非选择题(本题包括7小题,共100分)1.(16分)金属钛(22Ti)号称航空材料。回答下列问题:(1)钛元素基态原子未成对电子数为_个,能量最高的电子占据的能级符号为_,该能级所在能层具有的原子轨道数为_。(2)Ti(OH)2(H2O)42+中的化学键有_。a.键b.键c.离子键d.配位键(3)纳米TiO2是一种应用广泛的催化剂,纳米TiO2催化的一个实例如图所示。化合物甲的分子中采取sp2杂化方式的碳原子个数为_,化合物乙中采取sp3杂化的原子的第一电离能由小到大的顺序为_。(4)工业上制金属钛采用金属还原四氯化钛。先将TiO2(或天然的金红石)和足量炭粉
2、混合加热至1 0001 100 K,进行氯化处理,生成TiCl4。写出生成TiCl4的化学反应方程式:_。(5)有一种氮化钛晶体的晶胞如图所示,该晶体的化学式为_,该晶体中与钛原子距离最近且相等的氮原子的个数为_。已知晶体的密度为 gcm-3,阿伏加德罗常数为NA,则晶胞边长为_cm(用含、NA的式子表示)。【解析】(1)钛元素价电子排布式为3d24s2,基态原子价电子排布图为,可见钛元素基态原子未成对电子数为2个,能量最高的电子占据的能级符号为3d,该能级所在能层为M能层,有3s、3p、3d,分别含有原子轨道数目为1、3、5,具有的原子轨道数为9。(2)OH-和H2O中H和O都是以键结合在一
3、起,Ti4+提供空轨道,H2O和OH-提供孤电子对,形成配位键,即Ti(OH)2(H2O)42+中的化学键只有键和配位键。(3)采取sp2杂化的碳原子价层电子对数是3,该分子中碳原子价层电子对数为3的有:苯环上的碳原子、连接羰基的碳原子,所以一共有7个;采取sp3杂化的原子价层电子对数是4,价层电子对个数是4的原子有:连接甲基和羟基的碳原子、氧原子和氮原子,同一周期元素中,元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势,但第A族元素大于相邻元素,所以这三种元素第一电离能从小到大顺序是CON。(4)TiO2和足量炭粉混合加热至1 0001 100 K,生成TiCl4的化学反应方程式为TiO2+2
4、C+2Cl2TiCl4+2CO;(5)观察晶胞N位于立方体的顶点和面心位置,N数=8+6=4;Ti位于晶胞内,有4个,化学式可写为TiN;由晶胞图可知与Ti相连的N有四个,组成正四面体;晶胞质量为4g,晶体的密度为 gcm-3,则晶胞边长为=cm。答案:(1)23d9(2)ad(3)7CON(4)TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO(5) TiN42.(15分)钾和碘的相关化合物在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用。回答下列问题:(1)元素K的焰色反应呈紫红色,其中紫色对应的辐射波长为_nm(填标号)。A.404.4B. 553.5C.589.2D.670.8 E.766.5(2)基态
5、K原子中,核外电子占据最高能层的符号是_,占据该能层电子的电子云轮廓图形状为_。K和Cr属于同一周期,且核外最外层电子构型相同,但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低,原因是_。(3)X射线衍射测定等发现,I3AsF6中存在离子。离子的几何构型为_,中心原子的杂化形式为_。(4)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料,具有钙钛矿型的立方结构,边长为a=0.446 nm,晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置,如图所示。K与O间的最短距离为_nm,与K紧邻的O个数为_。(5)在KIO3晶胞结构的另一种表示中,I处于各顶角位置,则K处于_位置,O处于_位置。【解析】(1)紫色光波长范围大约
6、在380 nm到440 nm之间,故选A。(2)基态K原子中,最外层电子排布为4s1,核外电子占据的最高能层为第四层,符号是N,占据该能层电子的电子云轮廓图形状为球形。K和Cr都属于金属晶体,Cr的价电子数多,半径小,金属键强,所以K的熔点、沸点等都比金属Cr低。(3)根据计算公式,的价层电子对数=(7+21-1)/2=4,结构如下:II+,中心碘原子形成了两个键,有两对孤电子对,因此杂化方式为sp3,构型为V形。(4)根据晶胞结构,位于顶角的K和位于相邻面心的O之间的距离最短,且刚好等于晶胞面对角线长度的一半,因此最短距离=a/21.4140.446/20.315(nm)。求与K紧邻的O个数
7、,即求顶角周围面心的个数,其实也就是面心立方密堆积的配位数为12。(5)若将体心的位置设定为顶角,原本顶角的位置变成了体心,面心的位置变成了棱心。因此K位于体心位置,O位于棱心位置。答案:(1)A(2)N球形K原子半径较大且价电子数较少,金属键较弱(3)V形sp3(4)0.31512(5)体心棱心3.(12分)地球表面十公里厚的地层中,含钛元素达千分之六,比铜多61倍,金属钛(Ti)被誉为21世纪金属,其单质和化合物具有广泛的应用价值。氮化钛(Ti3N4)为金黄色晶体,由于具有令人满意的仿金效果,越来越多地成为黄金的代替品。以TiCl4为原料,经过一系列反应可以制得Ti3N4和纳米TiO2(如
8、下图)。图中的M是短周期金属元素,M的部分电离能如下表:I1I2I3I4I5电离能/(kJmol-1)7381 4517 73310 54013 630请回答下列问题:(1)TiO2为离子晶体,已知晶体中阳离子的配位数为6,阴离子的配位数为3,则阳离子的电子排布式为_。(2)金属Ti与金属M的晶体原子堆积模型相同,其堆积模型为_(填写堆积模型名称),晶体中原子在二维平面里的配位数为_。(3)室温下TiCl4为无色液体,沸点为136.4 ,由此可知其晶体类型为_,构成该晶体的粒子的空间构型为_。(4)有一种氮化钛晶体的晶胞与NaCl晶胞相似,如图所示,已知该氮化钛的密度为 gcm-3,则该晶胞中
9、N、Ti之间的最近距离为_pm(NA为阿伏加德常数的数值,只列算式)。该晶体中与钛原子距离相等且最近的钛原子有_个。 (5)科学家通过X射线探明KCl、MgO、CaO、TiN的晶体与NaCl的晶体结构相似。且知三种离子晶体的晶格能数据如下:离子晶体NaClKClCaO晶格能/(kJmol-1)7867153 401KCl、CaO、TiN三种离子晶体硬度由低到高的顺序为_。【解析】(1)Ti是阳离子,Ti是22号元素,因此Ti4+的电子排布式为1s22s22p63s23p6。(2)根据金属M的电离能,在第二电离能到第三电离能发生突变,说明最外层有2个电子,M是短周期金属元素,根据部分电离能,推出
10、是Mg,金属Ti与Mg的晶体原子堆积模型相同,因此堆积模型为六方最密堆积,二维平面里的配位数为6。(3)TiCl4为无色液体,且沸点较低,符合分子晶体的特点,因此TiCl4属于分子晶体,空间构型为正四面体。(4)根据晶胞的结构,最近N和Ti的位置是棱长的一半,设棱长为a pm,晶胞中Ti位于棱上和体心,个数为12+1=4,N位于面心和顶点,个数为8+6=4,化学式为TiN,晶胞的质量为 g,根据密度的定义求Ti和N的最近距离是1010,根据晶胞的结构,距离Ti最近的Ti上面有四个,同一平面的有4个,下面有4个,共有12个。(5)晶格能越大,硬度越大,晶格能与阴阳离子所带电荷数以及阴阳离子的半径
11、有关,所带电荷数越多,半径越小,晶格能越大,硬度越大,即KClCaOTiN。答案:(1)1s22s22p63s23p6(2)六方最密堆积6(3)分子晶体正四面体 (4)101012(5)KClCaONC。(7)铁元素对应的单质在形成晶体时,采用如图2所示的堆积方式,则这种堆积模型为体心立方堆积,即在立方体的中心有一个铁原子,与这个铁原子距离最近的原子位于立方体的8个顶点,所以铁的配位数为8,每个立方体中含有的铁原子数为8+1=2,如果Fe的原子半径为a cm,则立方体的边长为 cm,对应的体积为( cm)3,阿伏加德罗常数的值为NA,所以铁单质的密度表达式为 gcm-3答案:(1)1s22s2
12、2p63s23p63d5或Ar3d5(2)sp2、sp3(3)NH3分子间存在氢键(4)V形(5)24(6)A、C、EONC(7)86.(18分)(2018安庆模拟)有A、B、C、D、E五种原子序数增大的元素,只有一种为金属。A、B、C均为第二周期紧邻元素,其第一电离能顺序为BCA;B与D同主族;E为第4周期副族元素,其价层电子为全满。(1)E元素的名称为_,该元素基态原子的价电子排布式为_。(2)B与D分别与氢形成最简单氢化物沸点高低顺序为_(用化学式表示);原因_。(3)A、B、C三种元素分别与氢形成化合物中的MM(M代表A、B、C)单键的键能如下表:氢化物HxAAHxHmBBHmHaCC
13、Ha键能(kJmol-1)346247207上述三种氢化物中,A、B、C元素原子的杂化方式有_种;请解释上表中三种氢化物MM单键的键能依次下降的原因_。(4)D与氯形成的化合物DCl5,加压条件下148 液化,发生完全电离得到一种能够导电的熔体,测定DCl键长为198 pm和206 pm两种,该熔体中含有一种正四面体结构的阳离子,请写出该条件下DCl5电离的电离方程式_ _;该熔体中阴离子的空间构型为_。(5)E与C形成的化合物晶体结构有四种,其中一种与金刚石类似,金刚石晶体结构如图所示,该晶体的化学式为_(用元素符号表示);该晶胞的棱长为a pm 则该晶体的密度为_gcm-3。【解析】E为第
14、4周期副族元素,且价层电子为全满,因此推出E为Zn,五种元素只有一种元素是金属,E为锌,则A、B、C、D为非金属,B和D属于同主族,则D为第3周期,A、B、C为第2周期,第一电离能规律从左向右呈增大趋势,但A族大于A族,A族大于A族,三种元素的第一电离能顺序是BCA,三种元素原子序数增大,因此推出:A为C,B为N,C为O,D为P,(1)根据上述分析,E为锌,锌元素位于副族,锌原子的价电子包括最外层和次外层d能级,即3d104s2;(2)氢化物分别是NH3、PH3,两种氢化物都属于分子晶体,NH3中存在分子间氢键,PH3无分子间氢键,因此沸点:NH3PH3;(3)根据表格可知,氢化物分别是CH3
15、CH3、H2NNH2、HOOH,乙烷中C有4个键,无孤电子对,杂化类型为sp3,肼中N有3个键,1个孤电子对,杂化类型为sp3,H2O2中O有2个键,2个孤电子对,杂化类型为sp3,三者只有一种杂化类型,乙烷中的碳原子没有孤电子对,肼中的氮原子有1对孤电子对,过氧化氢中的氧原子有两对孤电子对,孤电子对数越多斥力越大,形成的化学键越不稳定,键能越小;(4)阳离子的立体构型为正四面体,说明P有4个键,无孤电子对,阳离子为PC,因此PCl5电离方程式为2PCl5PC+PC,PC中P有6个键,孤电子对数为=0,价层电子对数为=6,空间构型为正八面体;(5)锌原子位于顶点和面心,属于晶胞的个数为8+6=
16、4,氧原子位于晶胞内,共有4个,即此化合物为ZnO,晶胞的质量为 g,晶胞的体积为(a10-10)3 cm3,根据密度的定义,即密度为。答案:(1)锌3d104s2(2)NH3PH3均为分子晶体,NH3分子间存在氢键(3)1乙烷中的碳原子没有孤电子对,肼中的氮原子有1对孤电子对,过氧化氢中的氧原子有两对孤电子对,孤电子对数越多斥力越大,形成的化学键越不稳定,键能越小(4)2PCl5PC+PC正八面体(5)ZnO【加固训练】前四周期原子序数依次增大的元素A、B、C、D中,A和B的价电子层中未成对电子均只有1个,并且A-和B+的电子数相差为8;与B位于同一周期的C和D,它们价电子层中的未成对电子数
17、分别为4和2,且原子序数相差为2。回答下列问题:(1)D2+的价层电子排布图为_。(2)四种元素中第一电离能最小的是_,电负性最大的是_(填元素符号)。(3)A、B和D三种元素组成的一个化合物的晶胞如图所示。该化合物的化学式为_;D的配位数为_;列式计算该晶体的密度_gcm-3。(4)A-、B+和C3+三种离子组成的化合物B3CA6,其中化学键的类型有_;该化合物中存在一个复杂离子,该离子的化学式为_,配位体是_。【解析】(1)本题考查电子排布图的书写,A和B的价电子层中未成对电子均只有1个电子,A和B位于第A族,或第A族元素或A族元素,A-和B+的电子数相差为8,推出A为F,B为K,与B位于
18、同一周期的C和D,它们价电子层中的未成对电子数分别为4和2,且原子序数相差为2,则C为Fe,D为Ni,D2+为Ni2+,其价层电子排布图为;(2)第一电离能越小,说明越容易失去电子,即金属性强,第一电离能最小的是K,电负性最大,说明非金属性最强,即F的电负性最强;(3)考查晶胞、配位键等,根据晶胞的结构,F位于棱上、晶胞内部和面上,因此F的个数为16+4+2=8,K位于棱上和内部,个数为8+2=4,Ni位于顶点和内部,个数为8+1=2,因此化学式为K2NiF4;由图可知Ni的配位数为6;晶胞的质量为1(394+592+198)/NA g,晶胞的体积为4004001 30810-30 cm3,因
19、此晶胞的密度为=3.4 gcm-3;(4)组成的化学式为K3FeF6,此化合物属于配合物,K+和Fe之间是离子键,Fe和F之间为配位键;该离子是FeF63-,配体为F-。答案:(1) (2)KF(3)K2NiF46=3.4(4)离子键、配位键FeF63-F-7.(15分)(能力挑战题)我们利用物质的结构与性质对周期表进行研究,有助于我们更好地掌握同类知识。(1)基态砷原子中,价电子占用_个原子轨道;雌黄分子式为As2S3,分子结构如图,则砷原子的杂化方式为_。(2)N2与CO互为等电子体,则1 mol CO分子中含有的键数目是_个。(3)向CuSO4溶液中加入少量氨水生成蓝色沉淀,继续加入过量
20、氨水沉淀溶解,得到深蓝色透明溶液,最后向该溶液中加入一定量乙醇,析出Cu(NH3)4SO4H2O晶体;该晶体所含的非金属元素中,N、O、S第一电离能由大到小的顺序是_(填元素符号),S的空间构型为_,晶体中含有的化学键有_。加入乙醇后析出Cu(NH3)4SO4H2O晶体的原因是_。(4)常温下PCl5是一种白色晶体,其立方晶系晶体结构模型如下左图所示,由A、B两种微粒构成。 将其加热至148 熔化,形成一种能导电的熔体。已知A微粒与CCl4具有相同的空间构型和相似的化学键特征,则A为_, B为_。(5)磷化硼(BP)是一种超硬耐磨涂层材料,上右图为其立方晶胞。已知晶体中最近的硼原子和磷原子核间
21、距为x cm,磷化硼的摩尔质量为b gmol-1,阿伏加德罗常数为NA,则磷化硼晶体密度的表达式为_gcm-3。(列出计算式即可)【解析】(1)基态砷原子中,价电子排布式为4s24p3,根据洪特规则,4p轨道的3个电子要分占不同的轨道并且自旋状态相同,所以其价电子共占用4个原子轨道;由雌黄分子结构示意图可知,每个砷原子与3个硫原子形成3个键,由于其价电子数是5个,所以该分子中砷原子有1个孤电子对,根据价层电子对互斥理论,中心原子的价电子对数为4,所以中心原子的杂化方式为sp3杂化。(2)N2与CO互为等电子体,氮气分子中有三键,三键中有1个键、2个键,等电子体之间结构相似,所以CO分子中也有2
22、个键,则1 mol CO分子中含有的键数目是2NA(或26.021023)个。(3)一般非金属性越强的元素的第一电离能也越大,但是每个周期的A族(s轨道全满)和A族(p轨道半充满)元素因其原子结构的特殊性,其第一电离能高于相邻元素,所以N、O、S第一电离能由大到小的顺序是NOS。S的中心原子价电子对数n=4,中心原子形成了4个键,所以其空间构型为正四面体。Cu(NH3)4SO4H2O晶体是一种配合物,其内界中心原子铜离子和配体氨分子之间形成配位键,氨分子内有极性键,外界硫酸根与内界之间形成离子键。加入乙醇后析出Cu(NH3)4SO4H2O晶体的原因是乙醇分子极性比水分子极性弱,加入乙醇降低溶剂
23、的极性,从而减小溶质的溶解度。(4)A微粒与CCl4具有相同的空间构型和相似的化学键特征,所以A与四氯化碳是等电子体,则A为PC,由质量守恒和电荷守恒可知B为PC。(5)该晶胞中含有4个硼原子和4个磷原子。如果把晶胞分成8个相同的小立方,则硼原子恰好可以位于其中4个小立方的体心,设晶胞的边长为2a,晶体中最近的硼原子和磷原子核间距为x cm,则x cm=a,所以a=x,1 mol该晶胞的体积为NA(2a)3=NA( cm)3,磷化硼的摩尔质量为b gmol-1,则1 mol该晶胞中含BP 4 mol,其质量为4b g,所以磷化硼晶体密度的表达式为 gcm-3。答案:(1)4sp3杂化(2)2NA(或26.021023)(3)NOS正四面体离子键、极性共价键和配位键乙醇分子极性比水分子极性弱,加入乙醇降低溶剂的极性,从而减小溶质的溶解度(4)PCPC(5)
