高三化学复习难点14

 高三化学复习难点14——晶体结构及晶胞计算

        1．(2015全国I卷37)碳及其化合物广泛存在于自然界中，回答下列问题：

       (1)处于一定空间运动状态的电子在原子核外出现的概率密度分布可用     

形象化描述。在基态¹⁴C原子中，核外存在    对自旋相反的电子。

       (2)碳在形成化合物时，其键型以共价键为主，原因是              。

       (3)CS₂分子中，共价键的类型有       ，C原子的杂化轨道类型是           ，写出两个与CS₂具有相同空间构型和杂化形式的分子或离子                      。

       (4)CO能与金属Fe形成Fe(CO)₅，该化合物熔点为253K，沸点为376K，其固体属于       晶体。

       (5)碳有多种同素异形体，其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示：

 

        在石墨烯晶体中，每个C原子连接    个六元环，每个六元环占有    个C原子。在金刚石晶体中，C原子所连接的最小环也为六元环，每个C原子连接    个六元环，六元环中最多有    个C原子在同一平面。

        2．(2014全国I卷37)早期发现的一种天然二十面体准晶颗粒由Al、Cu、Fe三种金属元素组成。回答下列问题：

       (1)准晶是一种无平移周期序，但有严格准周期位置序的独特晶体，可通过________     方法区分晶体、准晶体和非晶体。

       (2)基态Fe原子有________个未成对电子，Fe的电子排布式为__________，可用硫氰化钾检验Fe³⁺，形成的配合物的颜色为________。

       (3)新制备的Cu(OH)₂可将乙醛(CH₃CHO)氧化成乙酸，而自身还原成Cu₂O。乙醛中碳原子的杂化轨道类型为______________，1 mol乙醛分子中含有的σ键的数目为_____。乙酸的沸点明显高于乙醛，其主要原因________________   。Cu₂O为半导体材料，在其立方晶胞内部有4个氧原子，其余氧原子位于面心和顶点，则该晶胞中有______个铜原子。

       (4)Al单质为面心立方晶体，其晶胞参数a＝0.405nm，晶胞中铝原子的配位数为____。列式表示Al单质的密度______________g·cm^-3(不必计算出结果)。

        3．(2013全国I卷37)硅是重要的半导体材料，构成了现代电子工业的基础。回答下列问题：

       (1)基态Si原子中，电子占据的最高能层符号        ，该能层具有的原子轨道数为       、电子数为          。

       (2)硅主要以硅酸盐、        等化合物的形式存在于地壳中。

       (3)单质硅存在与金刚石结构类似的晶体，其中原子与原子之间以            相结合，其晶胞中共有8个原子，其中在面心位置贡献         个原子。

       (4)单质硅可通过甲硅烷(SiH4)分解反应来制备。工业上采用Mg₂Si和NH₄CI在液氨介质中反应制得SiH₄,，该反应的化学方程式为  :                    。

       (5)碳和硅的有关化学键键能如下所示，简要分析和解释下列有关事实：

    

       硅与碳同族，也有系列氢化物，但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多，原因是                                                                  

        SiH₄的稳定性小于CH₄，更易生成氧化物，原因是                                 

       (6)在硅酸盐中，SiO₄^4－四面体(如下图(a))通过共用顶角氧离子可形成岛状、链状、层状、骨架网状四大类结构型式。图(b)为一种无限长单链结构的多硅酸根；其中Si原子的杂化形式为   。Si与O的原子数之比为   ，化学式为   。

          

       4．(2012全国I卷37)ⅥA族的氧、硫、硒(Se)、碲(Te)等元素在化合物中常表现出多种氧化态，含ⅥA族元素的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)S单质的常见形式为S₈，其环状结构如下图所示，S原子采用的轨道杂化方式是________。       

       (2)原子的第一电离能是指气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最低能量，O、S、Se原子的第一电离能由大到小的顺序为__________。

       (3)Se原子序数为________，其核外M层电子的排布式为________   。

       (4)H₂Se的酸性比H₂S________(填“强”或“弱”)。气态SeO₃分子的立体构型为________，SO离子的立体构型为________。

       (5)H₂SeO₃的K₁和K₂分别为2.7×10^-3和2.5×10^-8，H₂SeO₄第一步几乎完全电离，K₂为1.2×10^-2，请根据结构与性质的关系解释：

       ①H₂SeO₃和H₂SeO₄第一步电离程度大于第二步电离的原因：__    。

       ②H₂SeO₄比H₂SeO₃酸性强的原因：____________________。

       (6)ZnS在荧光体、光导体材料、涂料、颜料等行业中应用广泛。立方ZnS晶体结构如下图所示，其晶胞边长为540.0pm，密度为________g·cm^－3(列式并计算)，a位置S^2－离子与b位置Zn²⁺离子之间的距离为________pm(列式表示)。

          

        5．(2011全国I卷37)氮化硼(BN)是一种重要的功能陶瓷材料。以天然硼砂为起始物，经过一系列反应可以得到BF₃和BN，如下图所示：

            

        请回答下列问题：

        (1)由B₂O₃制备BF₃、BN的化学方程式依次是

_________                             、__________                          。

        (2)基态B原子的电子排布式为_________，B和N相比，电负性较大的是_________，BN中B元素的化合价为_________。

        (3)在BF₃分子中，F-B-F的键角是_______，B原子的杂化轨道类型为_______，BF₃和过量NaF作用可生成NaBF₄，BF₄^－的立体结构为_______。

        (4)在与石墨结构相似的六方氮化硼晶体中，层内B原子与N原子之间的化学键为________，层间作用力为________。

        (5)六方氮化硼在高温高压下，可以转化为立方氮化硼，其结构与金刚石相似，硬度与金刚石相当，晶苞边长为361.5pm，立方氮化硼晶胞中含有______个氮原子、________个硼原子，立方氮化硼的密度是_____        g·cm^-3(只要求列算式，不必计算出数值，阿伏伽德罗常数为N_A)。

        6．(2015全国Ⅱ卷37)A、B、C、D为原子序数依次增大的四种元素，

A^2－和B⁺具有相同的电子构型：C、D为同周期元素，C核外电子总数是最外层电子数的3倍；D元素最外层有一个未成对电子。回答下列问题：

       (1)四种元素中电负性最大的是        (填元素符号)，其中C原子的核外电子排布式为                    。

       (2)单质A有两种同素异形体，其中沸点高的是       (填分子式)，原因是

                                                 ；A和B的氢化物所属的晶体类型分别是            和               。

       (3)C和D反应可生成组成比为1∶3的化合物E，E的立体构型为        ，中心原子的杂化轨道类型为       。

       (4)化合物D₂A的立体构型为        ，中心原子的的价层电子对数为      ，单质D与湿润的Na₂CO₃反应可制成D₂A，其化学方程式为                          。

       (5)A和B能够形成化合物F，其晶胞结构如图所示，晶胞参数a=0.566nm。F的化学式为       ；晶胞中A原子的配位数为  ；列式计算晶体F的密度        (g·cm^-3)。

           

       7．(2015海南高考19)I．下列物质的结构或性质与氢键无关的是(   )

        A．乙醚的沸点            B．乙醇在水中的溶解度

        C．氢化镁的晶格能     D．DNA的双螺旋结构

     钒（₂₃V）是我国的丰产元素，广泛用于催化及钢铁工业。回答下列问题：

       (1)钒在元素周期表中的位置为              ，其价层电子排布图为             。

       (2)钒的某种氧化物的晶胞结构如图1所示。晶胞中实际拥有的阴、阳离子个数分别为    、     。

           

       (3)V₂O₅常用作SO₂转化为SO₃的催化剂。SO₂ 分子中S原子价层电子对数是      对，分子的立体构型为               ；SO₃气态为单分子，该分子中S原子的杂化轨道类型为         ；SO₃的三聚体环状结构如图2所示，该结构中S原子的杂化轨道类型为        ；该结构中S—O键长由两类，一类键长约140pm，另一类键长约为160pm，较短的键为      (填图2中字母)，该分子中含有     个s键。

       (4)V₂O₅溶解在NaOH溶液中，可得到钒酸钠(Na₃VO₄)，该盐阴离子的立体构型为               ；也可以得到偏钒酸钠，其阴离子呈如图3所示的无限链状结构，则偏钒酸钠的化学式为          。

       8．(2014海南高考19)I．对于钠的卤化物(NaX)和硅的卤化物(SiX₄)，下列叙述正确的是(   )

        A．SiX₄难水解     B．SiX₄是共价化合物

        C．NaX易水解     D．NaX的熔点一般高于SiX₄

        Ⅱ．碳元素的单质有多种形式，下图依次是C₆₀、石墨和金刚石的结构图：                     

                C₆₀                        石墨            金刚石晶胞

回答下列问题：

        (1)金刚石、石墨、C₆₀、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们互为_______。

       (2)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化形式分别为____、____。

       (3)C₆₀属于________晶体，石墨属于________晶体。

       (4)石墨晶体中，层内C—C键的键长为142pm，而金刚石中C—C键的键长为154pm。其原因是金刚石中只存在C—C间的______共价键，而石墨层内的C—C间不仅存在______共价键，还有______键。

       (5)金刚石晶胞含有________个碳原子。若碳原子半径为r，金刚石晶胞的边长为a，根据硬球接触模型，则r＝____________a，列式表示碳原子在晶胞中的空间占有率____________________(不要求计算结果)。

        9．(2014山东高考33)石墨烯[如图(a)所示]是一种由单层碳原子构成的平面结构新型碳材料，石墨烯中部分碳原子被氧化后，其平面结构会发生改变，转化为氧化石墨烯[如图(b)所示]。

                                  

            (a)石墨烯结构             (b)氧化石墨烯结构

       (1)图(a)中，1号C与相邻C形成σ键的个数为________。

       (2)图(b)中，1号C的杂化方式是________，该C与相邻C形成的键角________(填“>”“<</span>”或“=”)图(a)中1号C与相邻C形成的键角。

       (3)若将图(b)所示的氧化石墨烯分散在H₂O中，则氧化石墨烯中可与H₂O形成氢键的原子有________(填元素符号)。

       (4)石墨烯可转化为富勒烯(C₆₀)，某金属M与C₆₀可制备一种低温超导材料，晶胞如图所示，M原子位于晶胞的棱上与内部。该晶胞中M原子的个数为________，该材料的化学式为________。

             

       10．(2011江苏高考)原子序数小于36的X、Y、Z、W四种元素，其中X是形成化合物种类最多的元素，Y原子基态时最外层电子数是其内层电子数的2倍，Z原子基态时2p原子轨道上有3个未成对的电子，W的原子序数为29。回答下列问题：

       (1)Y₂X₂分子中Y原子轨道的杂化类型为          ，1mol Y₂X₂含有σ键的数目为         。

       (2)化合物ZX₃的沸点比化合物YX₄的高，其主要原因是                        。

       (3)元素Y的一种氧化物与元素Z的一种氧化物互为等电子体，元素Z的这种氧化物的分子式是        。

       (4)元素W的一种氯化物晶体的晶胞结构如图13所示，该氯化物的化学式是       ，它可与浓盐酸发生非氧化还原反应，生成配合物H_nWCl₃，反应的化学方程式为                        。

      

       11．(2010江苏高考21)乙炔是有机合成工业的一种原料。工业上曾用CaC₂与水反应生成乙炔。

        (1)CaC₂中C₂^2－与O₂²⁺互为等电子体，O₂²⁺的电子式可表示为         ；1molO₂²⁺中含有的键数目为            。

        (2)将乙炔通入[Cu(NH₃)₂]Cl溶液生成CuC₂红棕色沉淀。Cu⁺基态核外电子排布式为                          。

       (3)乙炔与氢氰酸反应可得丙烯腈。丙烯腈分子中碳原子轨道杂化类型是                 ；分子中处于同一直线上的原子数目最多为          。

       (4)CaC₂晶体的晶胞结构与NaCl晶体的相似(如右图所示)，但CaC₂晶体中含有的中哑铃形C₂^2－的存在，使晶胞沿一个方向拉长。CaC₂晶体中1个Ca²⁺周围距离最近的C₂^2－数目为               。

             

       12．(2011山东高考)氧是地壳中含量最多的元素。

       (1)氧元素基态原子核外未成对电子数为           个。

       (2)H₂O分子内的O-H键、分子间的范德华力和氢键从强到弱依次为      。

              

      (3)H⁺可与H₂O形成H₃O⁺，H₃O⁺中O原子采用           杂化。H₃O⁺中

H-O-H键角比H₂O中H-O-H键角大，原因为           。

       (4)CaO与NaCl的晶胞同为面心立方结构，已知CaO晶体密度为ag·cm^-3，表N_A示阿伏加德罗常数，则CaO晶胞体积为        cm³。

        13．在二氧化硅晶胞中有8个硅原子位于立方晶胞的8个顶角，有6个硅原子位于晶胞的6个面心，还有4个硅原子与16个氧原子在晶胞内构成4个硅氧四面体，它们均匀错开排列于晶胞内。根据图示二氧化硅晶胞结构，每个晶胞内所含“SiO₂”基元数为(   )

       A．4个    B．6个    C．8个    D．18个

          

       14．(1)将等径圆球在二维空间里进行排列，可形成密置层和非密置层。在图1所示的半径相等的圆球的排列中，A属于________层，配位数是________；B属于________层，配位数是________。

        (2)将非密置层一层一层地在三维空间里堆积，得到如图2所示的一种金属晶体的晶胞，它被称为简单立方堆积，在这种晶体中，金属原子的配位数是________，平均每个晶胞所占有的原子数目是________。

          

       (3)有资料表明，只有钋的晶体中的原子具有如图2所示的堆积方式。钋位于元素周期表的第_____周期第____族，元素符号是____，最外电子层的电子排布式是________。

       15．镧镍合金、铜钙合金及铈钴合金都具有相同类型的晶胞结构XY_n，它们有很强的储氢能力，其中铜钙合金的晶胞结构如右图。试回答下列问题：

       (1)在周期表中Ca处于周期表________区。

       (2)铜的基态原子的价电子电子排布式为__________。

       (3)已知镧镍合金LaNi_n晶胞体积为9.0×10^-23cm³，储氢后形成LaNi_nH_4.5的合金(氢进入晶胞空隙，体积不变)，则LaNi_n中，n＝________(填数值)；氢在合金中的密度为__________。

        

       16．氮是地球上极为丰富的元素。

       (1)Li₃N晶体中氮以N^3－的存在，基态N^3-的电子排布式为              。

       (2)N≡N的键能为942kJ·mol^-1，N－N单键的键能为247kJ·mol^-1，计算说明N₂中的       键比      键稳定(填“σ”或“π”)。

       (3)(CH₃)₃NH⁺和AlCl₄^－可形成离子液体。离子液体由阴、阳离子组成，熔点低于100℃，其挥发性一般比有机溶剂              (填“大”或“小”)，可用作            (填代号)。

       a．助燃剂      b．“绿色”溶剂     c．复合材料    d．绝热材料

       (4)X⁺中所有电子正好充满KLM三个电子层，它与N^3－形成的晶体结构如图所示。X的元素符号是       ，与同一个N^3－相连的X⁺有      个。

         

       17．X、Y、Z、M、W是原子序数依次增大的前四周期元素，X元素原子核外有三个能级，各能级电子数相等，Y的单质在空气中燃烧生成一种淡黄色的固体；Z元素原子的最外层电子数比次外层电子数少2，M原子外围电子排布式为3dⁿ4sⁿ；W的内层电子已全充满，最外层只有2个电子。请回答：

        (1)X元素在周期表中的位置是                ，W²⁺离子的外围电子排布式为                   。

        (2)X能与氢、氮、氧三种元素构成化合物 XO(NH₂)₂，其中X原子和N原子的杂化方式为分别为     、      ，该化合物分子中的键与键的个数之比是     ；该物质易溶于水的主要原因是                          。

       (3)已知Be和Al元素处于周期表中对角线位置，化学性质相似，请写出Y元素与Be的最高价氧化物的水化物相互反应的化学方程式                    。

      (4)M晶体的原子堆积方式为六方堆积(如图所示)，则晶体中M原子配位数是         。某M配合物化学式是[M(H₂O)₅Cl]Cl₂·H₂O，1mol该配合物中含配位键的数目是     。

         

       (5)X的某种晶体为层状结构，可与熔融金属钾作用。钾原子填充在各层之间，形成间隙化合物，其常见结构的平面投影如图①所示，则其化学式可表示为                 。

           

       (6)Y离子和Z离子比较，半径较大的是＿＿＿(写离子符号)，元素Y与元素Z形成的晶体的晶胞结构是如图②所示的正方体，设晶胞中最近的两个Z离子的距离为acm，该化合物的摩尔质量为bg·mol^-1，则该晶胞密度的计算式为

            。(只要求列算式，不必计算出数值,阿伏伽德罗常数用N_A表示)。

      18．根据石墨晶体结构示意图及提供的资料计算(保留三位有效数值)，有关公式、资料见右图。试回答：

         

       (1)12g石墨中，正六边形的数目有_____  个。

       (2)石墨的密度为______     。

       (3)12g石墨的体积是______cm³。

       19．晶体具有规则的几何外形，晶体中最基本的重复单元称为晶胞。NaCl晶体结构如图所示。已知FexO晶体晶胞结构为NaCl型，由于晶体缺陷，x值小于1。测知FexO晶体密度为p=5.71g·cm^-3，晶胞边长为4.28×10^-10m。

       

        (1)FexO中x值(精确至0.01)为_________

        (2)晶体中的Feⁿ⁺分别为Fe²⁺、Fe³⁺，在Fe²⁺和Fe³⁺的总数中，Fe²⁺所占分数(用小数表示，精确至0.001)为______     。

        (3)此晶体的化学式______        。

        (4)与某个Fe²⁺(或Fe³⁺)距离最近且等距离的O^2－围成的空间几何形状是_____      _。

        (5)晶体中，铁元素的离子间最短距离为___   m。

        20．晶体性质是由晶胞的大小、形状和质点的种类及相互作用力所决定的。有一种蓝色晶体结构如上图所示，它的结构特征是Fe²⁺、Fe³⁺分别占据立方体互不相邻的顶点，而CN^－位于立方体棱心上。

          

        (1)根据其结构特点，推出其化学式为                  。

        (2)此化学式的离子带何种电荷？用什么样的离子(M⁺或Mⁿ⁺)与其结合成电中性的化合物？并写出电中性化合物的化学式。

        (3)指出需要添加的离子在晶体中的立方体结构中占据什么位置。

 

        参考答案：

        1．(1)电子云    2  

        (2)C有4个价电子且半径较小，难以通过得或失电子达到稳定结构   

        (3)σ键又有π键     sp     CO₂、SCN^-或N₃^-       (4)分子  (5)3        2  

12       4×27/[6.02×10²³(0.405×10^-7)³]

        2．(1)X-射线衍射    (2)4    1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵    血红色

        (3)sp³、sp²     6N_A      CH₃COOH存在分子间氢键     16     (4)12       

        3．(1)M    9    4    (2)二氧化硅      (3)共价键     3

        (4)Mg₂Si+4NH₄Cl==SiH₄+4NH₃+2MgCl₂

       (5)①硅烷中的Si－Si键和Si－H键的键能小于烷烃分子中C－C键和C－H键的键能，稳定性差，易断裂，导致长链硅烷难以形成，所以硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多。

        ②C－H键的键能大于C－O键的键能，C－H键比C－O键稳定；而Si－H键的键能却远小于Si－O键的键能，故Si－H键不稳定，而倾向于形成稳定性更强的Si－O键，即更易生成氧化物。

        (6)sp³    1∶3     [SiO₃]_n^2n－(或SiO₃^2－)

        4．(1)sp³      (2)O>S>Se      (3)34     3s²3p⁶3d¹⁰

       (4)强     平面三角形      三角锥形

      (5)①第一步电离后生成的负离子较难再进一步电离出带正电荷的氢离子

      ②H₂SeO₃和H₂SeO₄可表示为(HO)₂SeO和(HO)₂SeO₂。H₂SeO₃中的Se为+4价，而H₂SeO₄中的Se为+6价，正电性更高，导致Se－O－H中O的电子更向Se偏移，越易电离出H⁺

       (6)＝4.1

或或135

        5．(1)B₂O₃+3CaF₂+3H₂SO₄ 2BF₃↑+3CaSO₄+3H₂O

         B₂O₃+2NH₃ 2BN+3H₂O；

        (2)1s²2s²sp¹   N    +3

        (3)120°    sp²    正四面体

        (4)共价键(或极性共价键)    分子间作用力

        (5)4    4          

         6．(1)O     1S²2S²2P⁶3S²3P³

       (2)O₃  O₃的相对分子质量大，范德华力大，沸点高     分子晶体      离子晶体     (3)三角锥形     SP³   

          (4)V形    4         

       (5)Na₂O   8        

        7．I、  AC

        Ⅱ、(1)第4周期ⅤB族  

       (2)4    2        
       (3)3    V形    sp²杂化    sp³杂化   a     12

       (4)正四面体形    NaVO₃

       8．I、BD

       Ⅱ、(1)同素异形体    (2)sp³    sp²      (3)分子   混合键型

       (4)σ    σ    π(或大π或p－pπ)    (5)8           ＝

       9．(1)3     (2)sp³    <    (3)O、H     (4)12     M₃C₆₀

       10．(1)sp杂化   3N_A或3×6.02×10²³    (2)NH₃分子存在氢键   (3)N₂O

       (4)CuCl    CuCl+2HCl==H₂CuCl₃    (或CuCl+2HCl==H₂[CuCl₃])

       11．(1) 

      2N_A    (2)1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰

       (3)sp杂化  sp²杂化   3     (4)4

       12．(1)2    (2)O-H键、氢键、范德华力    邻羟基苯甲醛形成分子内氢键，而对羟基苯甲醛形成分子间氢键，分子间氢键是分子间作用力增大

      (3)sp³     H₂O中O原子有2对孤对电子，H₃O⁺只有1对孤对电子，排斥力较小     (4)224/(aN_A)

       13．C

       14．(1)非密置   4    密置   6    (2)6  1    (3)六   ⅥA    Po    6s²6p⁴

       15．(1)s     (2)3d¹⁰4s¹    (3)5    0.083g·cm^-3

       16．(1)1s²2s²2p⁶    (2)π   σ     (3)小   b     (4)Cu  6

       17．
       18．(1)3.01×10²³     (2)2.28g·cm^-3      (3)5.26

       19．(1)0.92    (2)0.826    (3)Fe²⁺_0.76Fe³⁺_0.16O    (4)正八面体

 (5)3.03×10^-10

        20．(1)[Fe₂(CN)₆]^-    (2)负   M⁺     MFe₂(CN)₆    (3)立方体体心