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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 。
(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(LiNH2)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 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、CO2等反应。下列说法不正确的是 (填字母序号)。
A.CO2中σ键与π键的数目之比为1∶1
B.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(C4H9Li)中碳原子的杂化轨道类型为sp3和sp2
2.(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 。
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(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),NF3分子的空间构型为 。
(3)氨基乙酸(H2N—CH2—COOH)分子中,碳原子的杂化轨道类型有 ;1 mol H2N—CH2—COOH中含有σ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 g·cm-3(设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(N2H4)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) ΔH=-1 048.9 kJ·mol-1,若该反应中8 mol N—H键断裂,则形成的σ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.范德华力
(3)氨是 (填“极性”或“非极性”)分子;氨的沸点高于膦(PH3)的原因是 。
(4)将氨气通入硫酸铜水溶液中形成[Cu(NH3)4]SO4深蓝色溶液,[Cu(NH3)4]SO4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 kJ·mol-1,INi=1 753 kJ·mol-1,ICu>INi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 g·cm-3,晶胞参数为a nm,则a= 。
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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。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族的硼元素具有缺电子性,因而硼酸(H3BO3)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 g·cm-3,晶胞边长为4.3×10-10 m,则锗的相对原子质量为 (保留小数点后一位)。
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5.(20分)碳是地球上组成生命的最基本元素之一,可以sp3、sp2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,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)碳的一种同素异形体——C60(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ρ g·cm-3,C—C 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A~D图中选填)。
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参考答案
考点规范练37 晶体结构与性质
1.答案 (1)LiFePO4 [Ar]3d6 正四面体
(2)Na LiF
(3)Li+H]- Li3N+2H2LiNH2+2LiH
(4)8 π×100%
(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,因此晶体的化学式为LiFePO4;其中铁的化合价为+2价,即n=2,则Fe2+的基态电子排布式为[Ar]3d6;P中磷原子的价层电子对数是4,没有孤电子对,所以P的空间构型为正四面体形。
(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,一个晶胞中有两个锂原子,所占体积为2×πr3 pm3=2×π×(a)3 pm3=πa3 pm3,晶胞的体积为a3 pm3,则晶体中原子的空间占有率是×100%=π×100%。
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(5)CO2的结构式为OCO,CO双键中有1个σ键、1个π键,因此CO2中σ键与π键的数目之比为2∶2=1∶1,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(C4H9Li)中碳原子的杂化轨道类型为sp3杂化,C项错误。
2.答案 (1)7 1s22s22p63s23p63d104s24p3
(2)N>O>C 三角锥形
(3)sp3、sp2 9NA N2O或等
(4) BN
(5)8Fe+2NH32Fe4N+3H2
解析 (1)基态15N的核外有7个电子,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ⅡA族和第ⅤA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N>O>C,NF3分子中氮原子的价层电子对数为3+=4,有1对孤电子对,所以分子的空间构型为三角锥形。
(3)氨基乙酸(H2N—CH2—COOH)中,—CH2—中的碳原子周围有四个σ键,杂化类型为sp3杂化,羧基中的碳原子周围有三个σ键,没有孤电子对,杂化类型为sp2杂化,1 mol H2N—CH2—COOH中含有9 mol σ键,所以σ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。
(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,BF3能与NH3反应生成BF3·NH3,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,BF3·NH3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BN。
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(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640 ℃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+2NH32Fe4N+3H2,该晶胞的边长为a nm,则晶胞的体积为(a×10-7)3cm3,所以密度为 g·cm-3= g·cm-3。
3.答案 (1)2s22p3 C
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