2022届高考化学一轮复习-规范练37-晶体结构与性质新人教版.docx

2022届高考化学一轮复习 规范练37 晶体结构与性质新人教版

2022届高考化学一轮复习 规范练37 晶体结构与性质新人教版

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10

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)磁性材料氮化铁镍合金可用Fe(NO3)3、Ni(NO3)2、丁二酮肟、氨气、氮气、氢氧化钠、盐酸等物质在一定条件下反应制得。
(1)Fe3+的电子排布式是　　　　　　　　　　　　。 
(2)NO3-和NH3中氮原子的杂化方式分别为　　　　　　。 
(3)NH3的沸点高于PH3,其主要原因是　　　　　　　　　　　　。 
(4)与N3-具有相同电子数的三原子分子的立体构型是　　　　。 
(5)向Ni(NO3)2溶液中滴加氨水,刚开始时生成绿色Ni(OH)2沉淀,当氨水过量时,沉淀会溶解,生成[Ni(NH3)6]2+蓝色溶液,则1 mol [Ni(NH3)6]2+含有的σ键为　　　　 mol。 

图1

图2
(6)图1是丁二酮肟与镍形成的配合物,则分子内含有的作用力有　　　　(填字母)。 
A.氢键
B.离子键
C.共价键
D.金属键
E.配位键
组成该配合物分子且同属第二周期元素的电负性由大到小的顺序是　。 
(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。则这种堆积模型的配位数为　　　　,如果Fe的原子半径为a cm,阿伏加德罗常数的值为NA,则计算此单质的密度表达式为
　　　　 g·cm-3(不必化简)。 
答案:(1)1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5　(2)sp2、sp3　(3)NH3分子间可以形成氢键　(4)V形　(5)24　(6)ACE　O>N>C
(7)8　56×2NA4a33
解析:(1)Fe为26号元素,则Fe3+的电子排布式为1s22s22p63s23p63d5或[Ar]3d5。
(2)NO3-为平面三角形,氮原子为sp2杂化;NH3为三角锥形,氮原子为sp3杂化。
(4)N3-电子数为10,与N3-具有相同电子数的三原子分子为H2O,分子的立体构型为V形。
(5)在[Ni(NH3)6]2+中,每个氮原子与3个氢原子形成σ键,同时还与镍原子形成配位键,也是σ键,因此1mol[Ni(NH3)6]2+含有的σ键为4mol×6=24mol。
(6)根据题图可知碳碳间、碳氮间为共价键,氮镍间为配位键,氧氢间为氢键;同一周期中,电负性随着原子序数的增大而增大,该物质中含有的第二周期元素有O、N、C,其电负性由大到小的顺序为O>N>C。
(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8×18+1=2,如果Fe的原子半径为acm,则立方体的边长为4a3cm,对应的体积为4a3cm3,阿伏加德罗常数的值为NA,所以铁单质的密度表达式为56×2NA4a33g·cm-3。
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　。 
(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分子的立体构型为　　　　　　。 
(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)。 
答案:(1)7　1s22s22p63s23p63d104s24p3
(2)N>O>C　三角锥形
(3)sp3、sp2　9NA　N2O或N3-等
(4)　BN
(5)8Fe+2NH32Fe4N+3H2　2.38×1023a3NA
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+5-32=4,有1对孤电子对,所以分子的立体构型为三角锥形。
(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,1molH2N—CH2—COOH中含有9molσ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、N3-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8×18+6×12=4,所以化学式为BN。
(5)该晶胞中铁原子个数=8×18+6×12=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anm,则晶胞的体积为(a×10-7)3cm3,所以密度为238NA(a×10-7)3g·cm-3=2.38×1023a3NAg·cm-3。
3.(20分)由P、S、Cl、Ni等元素组成的新型材料有着广泛的用途。
回答下列问题:
(1)基态氯原子核外电子占有的原子轨道数目为　　　　,P、S、Cl的第一电离能由大到小的排列顺序为　　　　　　　。 
(2)PCl3分子中的中心原子杂化轨道类型是　　　　,该分子的立体构型为　　　　　。 
(3)PH4Cl的电子式为　　　　　　　　　,Ni与CO能形成配合物Ni(CO)4,该分子中π键与σ键个数比为　　　　　。 
(4)已知MgO与NiO的晶体结构(如图甲)相同,其中Mg2+和Ni2+的离子半径分别为66 pm和69 pm,则熔点:MgO　　　　(填“>”“<”或“=”)NiO,理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

甲

乙
(5)若NiO晶胞中离子坐标参数A为(0,0,0),B为(1,1,0),则C的坐标参数为　　　　　。 
(6)一定温度下,NiO晶体可以自发地分散并形成“单分子层”,可以认为O2-做密置单层排列,Ni2+填充其中(如图乙),已知O2-的半径为a m,每平方米面积上分散的该晶体的质量为　　　　　　g(用a、NA表示)。 
答案:(1)9　Cl>P>S　(2)sp3　三角锥形
(3)[H··H]+[··Cl······]-　1∶1
(4)>　Mg2+半径比Ni2+小,MgO的晶格能比NiO大
(5)1,12,12
(6)2532a2NA或7523a2NA
解析:(1)基态氯原子的核外电子排布式为1s22s22p63s23p5,其核外电子占有的原子轨道数为9。同周期元素随原子序数增大,元素第一电离能呈增大趋势,由于P元素原子的3p能级为半充满的稳定状态,能量较低,第一电离能高于同周期相邻元素,故第一电离能:Cl>P>S。
(2)PCl3中P原子杂化轨道数为12×(5+3)=4,采取sp3杂化方式,有1对孤电子对,所以该分子立体构型为三角锥形。
(3)PH4Cl的电子式为[H··H]+[··Cl······]-;Ni与CO能形成配合物Ni(CO)4,该分子中Ni与C形成配位键(即σ键),CO中含有1个σ键和2个π键,则σ键个数为1×4+4=8,π键个数为2×4=8,所以个数之比为1∶1。
(4)Mg2+的半径比Ni2+小,所带电荷数相同,所以氧化镁的晶格能大于氧化镍,则熔点:MgO>NiO。
(5)若NiO晶胞中离子坐标参数A为(0,0,0),B为(1,1,0),因C的x轴坐标与B的x轴坐标相同,y、z轴坐标都在棱的中点上,所以C的坐标参数为1,12,12。
(6)根据题图可知,每个氧化镍“分子”所占的面积为(2×a m)×(2×a m×sin 60°)=23a2 m2,则每平方米面积上含有的氧化镍“分子”个数为123a2,每个氧化镍“分子”的质量为75NA g,所以每平方米面积上含有的氧化镍的质量为75NA g×123a2=2532a2NA g。
4.(2020全国Ⅰ)(20分)Goodenough等人因在锂离子电池及钴酸锂、磷酸铁锂等正极材料研究方面的卓越贡献而获得2019年诺贝尔化学奖。回答下列问题:
(1)基态Fe2+与Fe3+中未成对的电子数之比为　　　　。 
(2)Li及其周期表中相邻元素的第一电离能(I1)如表所示。I1(Li)>I1(Na),原因是　　　　　　　　。
I1(Be)>I1(B)>I1(Li),原因是  　。 
I1/(kJ·mol-1)
Li520
Be900
B801
Na496
Mg738
Al578

(3)磷酸根离子的空间构型为　　　　　　,其中P的价层电子对数为　　　、杂化轨道类型为　　　　。 
(4)LiFePO4的晶胞结构示意图如(a)所示。其中O围绕Fe和P分别形成正八面体和正四面体,它们通过共顶点、共棱形成空间链结构。每个晶胞中含有LiFePO4的单元数有　　　　个。 

电池充电时,LiFePO4脱出部分Li+,形成Li1-xFePO4,结构示意图如(b)所示,则x=　　　　　　,n(Fe2+)∶n(Fe3+)=　　　　　　。 
答案:(1)4∶5
(2)Na与Li同主族,Na的电子层数更多,原子半径大,易失电子　Li、Be、B同周期,核电荷数依次增加。Be为1s22s2全充满稳定结构,第一电离能最大。与Li相比,B核电荷数大,原子半径小,较难失去电子,第一电离能较大
(3)正四面体形　4　sp3
(4)4　316　13∶3
解析:(1)基态铁原子的价电子排布式为3d64s2,失去外层电子转化为Fe2+和Fe3+,这两种基态离子的价电子排布式分别为3d6和3d5,根据洪特规则可知,基态Fe2+核外有4个未成对电子,基态Fe3+核外有5个未成对电子,所以未成对电子个数比为4∶5。
(2)因为Li和Na属于同主族元素,从上至下,原子半径增大,第一电离能逐渐减小,所以I1(Li)>I1(Na)。同周期元素,从左至右,第一电离能呈现增大的趋势,但由于第ⅡA族元素基态原子s能级轨道处于全充满的状态(如Be为1s22s2),能量更低更稳定,所以其第一电离能大于同一周期的第ⅢA族元素(如B元素),与Li相比,B核电荷数大,原子半径小,较难失去电子,第一电离能较大,因此I1(Be)>I1(B)>I1(Li)。
(3)依据中心原子价层电子对计算公式,PO43-中不含孤电子对,成键电子对数目为4,价层电子对数为4,故其VSEPR模型为正四面体形,P原子采用sp3杂化方式形成4个sp3杂化轨道。
(4)由题给信息知,图(a)LiFePO4的晶胞中,含有4个由O构成的正八面体(Fe存在于内部)和4个由O构成的正四面体(P存在于内部)。再由电池充电时,到图(c)全部变为FePO4,对比图(a)和(c)的差异可知,(a)图所示的LiFePO4的晶胞中,小球表示的即为Li+,其位于晶胞的8个顶点,4个侧面面心以及上、下底面各自的相对的两条棱心处,经计算一个晶胞中Li+的个数为8×18+4×12+4×14=4个;结合图(a)分别含有4个正八面体和4个正四面体,即一个晶胞中含有4个Fe和4个P,所以每个晶胞中含有LiFePO4的单元数有4个。
对比(a)和(b)两个晶胞结构示意图可知,Li1-xFePO4相比于LiFePO4缺失一个面心的Li+以及一个棱心的Li+;结合前面的分析可知,LiFePO4晶胞的化学式为Li4Fe4P4O16,那么Li1-xFePO4晶胞的化学式为Li3.25Fe4P4O16,所以有1-x=3.254,即x=316。
在图(b)中,化学式为Li1-xFePO4,即Li1316FePO4,假设Fe2+和Fe3+数目分别为y和z,分别依据元素守恒和化合物中元素化合价代数和为0,可列方程组y+z=11316+2y+3z+5+(-2)×4=0,解得y=1316,z=316,则Li1-xFePO4中n(Fe2+)∶n(Fe3+)=13∶3。
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,其价层电子排布图为　　　　　　。 
(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
1172
1360
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)。 

答案:(1)6　
(2)平面三角形　sp2
(3)因为碳酸盐的分解过程实际上是晶体中阳离子结合CO32-中的氧离子、使CO32-分解为CO2的过程,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)C8H8·C60(或C60·C8H8)
(5)4　1633ρNAr2
(6)D
解析:(1)原子核外的电子运动状态各不相同,有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,碳原子价层电子排布图为。
(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σ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8×18+6×12=4,含有C8H8的分子个数为4,则该复合型分子晶体的组成可以表示为C8H8·C60或C60·C8H8。
(5)石墨的晶胞结构如图,设晶胞的底边长为acm,高为hcm,层间距为dcm,则h=2d,从图中可以看出石墨晶胞含有4个碳原子,则:

a2=r×sin60°⇒a=3r
ρg·cm-3=4NAmol-1×M(C)(acm)2×sin60°×hcm=4NAmol-1×12g·mol-1(3r)2×32×2dcm3⇒d=1633ρNAr2cm。
(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。