专项13 物质结构与性质综合题-2021年新高考复习化学阶段性新题精选专项特训（山东专用·5月期）（解析版）

2021 年新高考复习化学阶段性新题精选专项特训（山东专用·5 月期） 专项十三 物质结构与性质综合题 1．（2021·山东滨州市·高三二模）金属钛被誉为“二十一世纪金属”，有“生物金属、海洋金属、太空金属”的 美称，具有广泛的应用前景。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(见图)可以制得 Ti3N4 和纳米 TiO2。 图中的 M 是短周期金属元素，其部分电离能数据如下(单位：kJ·mol-1) I1 I2 I3 I4 I5 738 1451 7733 10540 13630 (1)M 元素位于元素周期表的___区。 (2)基态 Ti3+中未成对电子数有__个；与 Ti 同族相邻的元素 Zr 的基态原子外围电子排布式为__。 (3)纳米 TiO2 是一种应用广泛的催化剂，催化实例如图所示。化合物甲中采取 sp2 杂化的碳原子数为___；化 合物乙中采取 sp3 杂化的原子对应的元素，电负性由大到小的顺序为___。 (4)TiCl4 可以与胺形成配合物，如[TiCl4(CH3NH2)2]、[TiCl4(H2NCH2CH2NH2)]等。 ①[TiCl4(H2NCH2CH2NH2)]中 Ti 的配位数是___。 ②配合物[TiCl4(H2NCH2CH2NH2)]与游离的 H2NCH2CH2NH2 分子相比，其 H—N—H 键角___(填“较大”，“较 小”或“相同”)，原因是___。 (5)有一种氮化钛晶体的晶胞与 NaCl 晶胞相似，如图所示，该晶胞中 N、Ti 之间的最近距离为 a pm，则该 氮化钛的密度为__g·cm-3(NA 为阿伏加德罗常数的值，只列计算式)。该晶体中与 N 原子距离相等且最近的 N 原子有___个。 【答案】s 1 4d25s2 7 O＞N＞C 6 较大 H2NCH2CH2NH2 通过配位键与 Ti 结合后， 原来的孤电子对变为成键电子对，对 N—H 成键电子对的排斥力减小，N—H 键之间的键角增大 12 【详解】 (1)M 是短周期金属元素，M 的第三电离能剧增，处于 IIA 族，且存在第五电离能，能与 TiCl4 反应置换出 Ti ，则 M 为 Mg 元素，位于元素周期表的 s 区； (2)Ti 是 22 号元素， Ti3+是 Ti 原子失去最外层 2 个 4s 电子后又失去 1 个 3d 电子得到的，故基态 Ti3+价层电 子排布式是 3d1，其中的未成对电子数有 1 个；同族元素结构相似，则与 Ti 同族相邻的元素 Zr 的基态原子 外围电子排布式为 4d25s2； (3)化合物甲中采取 sp2 杂化的碳原子有苯环上的 6 个 C 原子及形成羰基的 1 个 C 原子，因此甲分子中采用 sp2 杂化的碳原子数为 7 个；化合物乙中采取 sp3 杂化的原子对应的元素有 C、N、O，这三种元素的非金属 性：O＞N＞C，元素的非金属性越强，其电负性就越大，故这三种元素的电负性由大到小的顺序为：O＞N ＞C； (4)①在[TiCl4(H2NCH2CH2NH2)]中 Ti 原子与 4 个 Cl 原子及 H2NCH2CH2NH2 的 2 个 N 原子形成配位键，故 Ti 原子的配位数是 6； ②配合物[TiCl4(H2NCH2CH2NH2)]与游离的 H2NCH2CH2NH2 分子相比，其 H—N—H 键角较大，这是由于 H2NCH2CH2NH2 通过配位键与 Ti 结合后，原来的孤电子对变为成键电子对，对 N—H 成键电子对的排斥力 减小，导致 N—H 键之间的键角增大，因此 H—N—H 键角较大； (5)该该晶胞中含有 Ti 原子数为：12× +1=4，含有的 N 原子数为：8× +6× =4，晶胞边长为 2a pm，则 该晶胞的密度ρ= ； 以顶点上的 N 原子为研究对象，通过该 N 原子可以形成 8 个晶胞，在每 1 个晶胞中含有 3 个与该 N 原子距 离相等且最近的 Ti 原子，每个 Ti 原子被 2 个晶胞所共有，则 N 原子距离相等且最近的 Ti 原子有 。 2．（2021·山东烟台市·高三二模）近年来，有机-无机杂化金属卤素钙钛矿作为优良的光电材料受到广泛研 究和关注，回答下列问题。 (1) Ca、Ti 元素基态原子核外电子占据能级数之比为___________，与 Ti 处于同周期单电子数与 Ti 相同的 元素还有___________种，Ca 的前三级电离能数据分别为 589.8 kJ/mol、1145.4 kJ/mol、4912.4 kJ/mol，第三 电离能增大较多的原因是___________。 (2)卤族元素可与 N 和 P 元素形成多种稳定卤化物，其中 NCl3 分子构型为___________， P 元素可形成稳定 的 PCl3 和 PCl5，而氮元素只存在稳定的 NCl3，理由是___________。 (3)Ti 的配合物有多种。Ti(CO)6、Ti(H2O) 、TiF 中的配体所含原子中电负性最小的是___________；Ti(NO3)4 的球棍结构如图，Ti4+的配位数是___________。 (4)研究表明，TiO2 通过氮掺杂反应生成 TiO2-aNb，能使 TiO2 对可见光具有活性，反应如图所示。 已知 TiO2 晶胞为长方体，设阿伏加德罗常数的值为 NA，TiO2 的密度为___________g/cm3(列出计算式)。 TiO2-aNb 晶体中 a=___________，b=___________。 【答案】6：7 3 因为 Ca2+已经达到稳定结构，再失去 1 个电子属于内层电子，原子核吸引力更强， 所以 I3 突然增大 三角锥形 N 元素 L 层最多 4 个轨道，所以不易生成 NCl5 H 8 【详解】 (1)Ca 基态原子核外电子占据能级为 1s、2s、2p、3s、3p、4s，Ti 基态原子核外电子占据能级为 1s、2s、2p、 3s、3p、3d、4s，能级数之比为 6：7；Ti 基态原子的价电子排布式为 3d24s2，3d 能级有 2 个单电子，同周 期中含有 2 个单电子的元素有 Ni、Ge、Br，3 种元素；Ca 的核外电子排布式为[Ar]4s2，失去 2 个电子后， 核外电子达到稳定结构，再失去 1 个电子属于内层电子，原子核吸引力更强，所以 I3 突然增大； (2)NCl3 的中心 N 原子含有 1 对孤电子对，3 条σ键，价层电子对数为 4，则分子构型为三角锥形；P 原子核 外电子第三层有 d 能级，可形成 spd 杂化，N 原子核外电子第二层只有 s、p 能级 4 个电子轨道，则不能形 成 NCl5； (3) Ti(CO)6、Ti(H2O) 、TiF 中的配体分别为 CO、H2O、F-，非金属性越强，电负性越大，则 H 的电负性 最小；根据球棍模型，硝酸根离子中的 2 个氧原子与 Ti4+连接成环，则 Ti4+的配位数是 8； (4)根据 TiO2 晶胞结构，Ti 原子在晶胞的 8 个顶点、4 个面心和 1 个在体内，晶胞含有的个数为 4，O 原子 8 个在棱上、8 个在面上，2 个在体内，O 原子个数为 8，则 1mol 晶胞的质量为(48+32)×4g，体积为 m2×n×10-30×NAcm3，则密度= = g/cm3； 氮掺杂反应后，有 3 个氧空穴，O 原子 6 个在棱上、6 个在面上，1 个在体内，O 原子个数为 ，N 原子 1 个在面上、1 个在棱上，个数为 ，则化学式为 Ti ，故 2-a= ，a= ，b= 。 3．（2021·山东临沂市·高三二模）钛(Ti)和锆(Zr)是同一副族的相邻元素，它们的化合物在生产、生活中有着 广泛的用途。 回答下列问题： (1)钛和锆的价层电子结构相同，基态锆原子的价电子排布式为___________；与钛同周期元素的基态原子中， 未成对电子数与钛相同的元索有___________种。 (2)Ti(BH4)2 是一种储氢材料。BH 的空间构型是___________，H、B、Ti 的电负性由小到大的顺序为 ___________。 (3)ZrCl4 可以与乙二胺形成配合物[ ZrCl4( H2NCH2CH2NH2)]。 ①1 mol [ ZrCl4( H2NCH2CH2NH2)]中含有σ键的物质的量为___________mol。 ②H2NCH2CH2NH2 形成[ ZrCl4( H2NCH2CH2NH2)]后，H-N-H 键角将___________(填“变大”、“变小”或“不变”)， 原因是___________。 (4)已知 TiO2 晶胞中 Ti4+位于 O2-所构成的正八面体的体心，ZrO2 晶胞中 Zr4+位于 O2-所构成的立方体的体心， 其晶胞结构如下图所示。 ①TiO2 晶胞中 O2-的配位数是_________________。 ②TiO2 晶胞中 A、B 的原子坐标为(0.69，0.69，1)，(0.19，0.81，0.5)，则 C、D 原子坐标为___________、 ___________。 ③已知二氧化锆晶胞的密度为ρ g·cm-3，则晶体中 Zr 原子和 O 原子之间的最短距离___________pm(列出表 达式，NA 为阿伏加德罗常数的值，ZrO2 的摩尔质量为 M g/mol)。 【答案】3d24s2 3 正四面体 H＞B＞Ti 17 变大 游离态 H2NCH2CH2NH2 与 Zn 结合后， 孤电子对变成了σ键电子对，排斥力减小，因此 H-N-H 键之间的夹角会增大 3 (0.81，0.19，0.5) (0.31，0.31，0) 【详解】 (1)钛的价层电子排布式为：3d24s2，基态锆原子的价电子排布式为 3d24s2；Ti 位于第四周期，与钛同周期的 所有元素的基态原子中，Ti 原子未成对电子数是 2，未成对电子数与钛相同的元素有 Ni、Ge、Se。 (2)Ti(BH4)2 是一种储氢材料。BH 的空间构型是正四面体，同主族电负性从上到小逐渐减小，同周期从左 到右逐渐增大，H、B、Ti 的电负性由小到大的顺序为 H＞B＞Ti。 (3)ZrCl4 可以与乙二胺形成配合物[ ZrCl4( H2NCH2CH2NH2)]。 ①H2NCH2CH2NH2 中含有 11 个σ键，[ ZrCl4( H2NCH2CH2NH2)]中含有配位键为 6 根，所以 1 mol [ ZrCl4( H2NCH2CH2NH2)]中含有σ键的物质的量为 17mol。 ②游离态 H2NCH2CH2NH2 中 N 有 1 个孤电子对，配合物[ ZrCl4( H2NCH2CH2NH2)]中 N 提供一个孤电子对与 Zr 形成配位键，孤电子对之间的斥力>孤电子与成键电子对之间的斥力>成键电子对之间的斥力，与 Zn 结 合后，孤电子对变成了σ键电子对，排斥力减小，因此 H-N-H 键之间的夹角会增大。 (4) ①晶体中 Ti4+位于 O2-所构成的正八面体的体心，Ti4+的配位数为 6，晶胞中 Ti4+的数目=1+8× =2，O2- 的数目=2+4× =4，TiO2 晶胞中 O2-的配位数=6× =3。 ②TiO2 晶胞中 A、B 的原子坐标为(0.69，0.69，1)，(0.19，0.81，0.5)，则 C、D 原子坐标为(0.81，0.19，0.5)、 (0.23，0.23，0)。 ③已知二氧化锆晶胞的密度为ρ g·cm-3，则晶体中 Zr 原子和 O 原子之间的最短距离，晶胞体对角线长度等 于棱长的 倍，两原子核间的距离为 apm，则晶胞棱长 ，晶胞中黑色球数目= 8，白色球 数目 ，即 O 原子数目 8，Zr 原子数目为 4，晶胞质量 ，解得 。 4．（2021·山东青岛市·高三二模） 稀溶液可用作外科手术刀消毒剂， 晶体熔点较低，熔融状 态下不导电。 (1) 属于___________化合物(填“离子”或“共价”)。 (2) 和不同浓度 反应得到某种含汞化合物的晶胞结构 M 如图所示：(部分微粒不在晶胞 内) ①写出该含汞化合物的化学式___________。 ②M 中 ___________(填“大于”、“小于”、或“等于”) 中的 ，分析原因___________。 ③该含汞化合物晶体在水中的溶解性___________(填“可溶”或“难溶”)，分析原因___________。 ④在晶胞中 原子 a 的分数坐标为 ，则 原子 b 的分数坐标为___________；晶胞的体积为 V ，则该晶体的密度为___________ 。 【答案】共价 大于 在 M 中氮原子的孤电子对填充到汞离子的空轨道形成共价 键，对 键的斥力减弱，因此 M 中 比 中的变大 可溶 该分子可以与水分子形成 分子间氢键 【详解】 (1)因为 晶体熔点较低，熔融状态下不导电，所以 属于共价化合物。 (2)①由图可知一个 Hg 连接 2 个 NH3 和 4 个 Cl，2 个 NH3 被一个 Hg 完全占有，而每个 Cl 均被两个 Hg 平 分，则一个 Hg 拥有 2 个 Cl，所以该含汞化合物的化学式为 。 ②在 M 中含有 NH3，NH3 中氮原子存在孤电子对，该孤电子对填充到汞离子的空轨道形成共价键，对 键的斥力减弱，导致 M 中几个 键之间的键角增大，所以 比 中的变大，所以答案是： 大于；在 M 中氮原子的孤电子对填充到汞离子的空轨道形成共价键，对 键的斥力减弱，因此 M 中 比 中的变大。 ③该含汞化合物晶体中含有较多的 ，在水中会与水分子形成分子间氢键，溶解性增强，所以答案为： 可溶；该分子可以与水分子形成分子间氢键。 ④由图可知 原子 b 的分数坐标为 ；每个晶胞中有 8 个 Cl 在立方晶胞定点，2 个 Cl 在面上，8 个 Cl 在棱上，根据均摊法可知每个晶胞中 Cl 数目为： ，3 个 Hg 均在晶胞内，有 4 个 NH3 在晶胞内，晶胞的体积为 V ，则该晶体的密度为： ，所以答案为： 。 5．（2021·山东济南市·高三二模）过渡金属及其化合物在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用。 (1)基态钛原子的价电子排布图为___________，与钛同周期的过渡元素中，基态原子的成对电子数与钛相同 的有___________种，金属钛是一种新兴的结构材料，其硬度比金属镁和铝大的原因是___________。 (2)在浓的 TiCl3 的盐酸溶液中加入乙醚，并通入 HCl 至饱和，可得到配位数为 6、组成为 TiCl3·6H2O 的晶体， 该晶体中两种配体的物质的量之比为 2∶4，则由该配合离子组成的晶体化学式还可以写为___________。 (3)航母螺旋桨主要用铜合金制造。含铜废液可以利用铜萃取剂 M，通过如下反应实现铜离子的富集，进行 回收。 ①M 所含元素的第一电离能最大的是___________(用元素符号表示)。 ②X 化合物中中心原子铜的配位数是___________，上述反应中断裂和生成的化学键有___________。 (4)金红石(TiO2)是含钛的主要矿物之一、其晶胞结构(晶胞中相同位置的原子相同)如下图所示。 ①A、B、C、D4 种微粒，其中钛原子是___________(填代号)。 ②若 A、B、C 的原子坐标参数分别为 A(0，0，0)、B(0.69，0.69，1)、C(1，1，1)，则 D 的原子坐标参数 为 D(0.19，___________，___________)；该化合物的密度为___________g·cm-3(用含 a、c、NA 的代数式表 示)。 【答案】 3 Ti 原子的价电子数比 Mg、Al 多,金属键更强 [TiCl2(H2O)4]Cl·2H2O N 4 共价键、配位键 AC 0.81 0.5 【详解】 (1)Ti 是 22 号元素，处于周期表中第四周期 IVB 族，价电子排布式为：3d24s2，价电子排布图为 。与 Ti 同周期的所有过渡元素的基态原子中成对电子数与钛相同的有 Sc、V、 Mn，共计 3 种；由于 Ti 原子的价电子数比 Mg、Al 多,金属键更强，所以其硬度比金属镁和铝大； (2)在浓的 TiCl3 的盐酸溶液中加入乙醚，并通入 HCl 至饱和，可得到配位数为 6、组成为 TiCl3·6H2O 的晶体， 由于该晶体中两种配体的物质的量之比为 2∶4，这说明 3 个氯离子中有 2 个是配体，6 个水分子中有 4 个 是配体，则由该配合离子组成的晶体化学式还可以写为[TiCl2(H2O)4]Cl·2H2O。 (3)①非金属性越强，第一电离能越大，但由于 N 元素的 2p 轨道电子处于半充满稳定状态，第一电离能大于 氧元素的，则 M 所含元素的第一电离能最大的是 N。 ②X 化合物中有 2 个氮原子和 2 个氧原子提供孤对电子，所以中心原子铜的配位数是 4。M 中没有配位键， X 中含有配位键，说明有配位键生成，另外还有 O－H 的断裂，则上述反应中断裂和生成的化学键有共价 键、配位键。 (4)①TiO2 晶胞中原子总数为 6，由化学式可知有 2 个 Ti 原子、4 个 O 原子，由晶胞结构可知 B、D 位置为 O 原子，体心、顶点为 Ti 原子，故答案为：AC； ②晶胞中体心 Ti 周围有 6 个 O 原子，O 原子周围有 3 个 Ti 原子，内部 3 个原子投影为： ， 3 个原子形成的线平行底面且到上下底面的距离相等，上下底面距离为 c，可得坐标参数 z 的值=0.5，图中 所示长度 y 即为坐标参数 y 的值，D 坐标参数 x=0.19，则图中小直角三角形的直角边边长为 0.19，故 y=1-0.19=0.81，D 的参数为（0.19，0.81，0.5）；根据以上分析可知密度为 。 6．（2021·山东潍坊市·高三二模）深紫外固体激光器可用于高温超导、催化剂研究领域。我国自主研发的氟 硼铍酸钾( )晶体制造深紫外固体激光器技术领先世界。回答下列问题： (1)基态 原子最高能级电子数之比是_______， 晶体熔点由高到低的顺序是_______。 (2)在 气相中，氯化铍以二聚体 的形式存在， 原子的杂化方式是_______， 中含有_______ 配位键。 (3)一定条件下， 可与铜反应生成氟化剂的 ，其结构式是_______。已知在 时 就发生类 似 的分解反应，其不稳定的原因是_______。 (4) 晶体是制备氟硼铍酸钾晶体的原料之一，其晶胞结构与 相似如图 1 所示。O 原子的配位数是 _______；沿晶胞面对角线投影，图 2 中能正确描述投影结果的是_______(填序号)。设 O 与 的最近距离 为 晶体的密度为 ，则阿伏加德罗常数的值为_______(用含 a 和 d 的式子表示)。 【答案】2：1 sp2 2 N2F4 分子中 2 个 N 原子各有 1 对孤对 电子，孤对电子之间的排斥力使 N-N 键容易断裂 4 B 【详解】 (1)Be 的核外电子排布为 1s22s2，最高能级为 2s，电子数目为 2；B 的核外电子排布为 1s22s22p1，最高能级 为 2p，电子数为 1，两者最高能级电子数之比为 2:1， 均为离子晶体，r(F-)