专题27 物质结构与性质

专题28 物质结构与性质
1.(2020山东,2分)短周期主族元素X、Y、Z、W的原子序数依次增大,基态X原子的电子总数是其最高能级电子数的2倍,Z可与X形成淡黄色化合物Z2X2,Y、W最外层电子数相同。

下列说法正确的是
A.第一电离能:W>X>Y>Z
B.简单离子的还原性:Y>X>W
C.简单离子的半径:W>X>Y>Z
D.氢化物水溶液的酸性:Y>W
1.C 本题结合元素推断考查元素周期律等知识,考查的化学学科核心素养为证据推理与模型认知。

根据Z与X可形成淡黄色化合物Z2X2,即该化合物为Na2O2,结合原子序数关系可知,X 为O元素,Z为Na元素;基态O原子核外有8个电子,是最高能级2p上排布的电子数的2倍;由原子序数关系可知Y为F元素,则与其同主族的W为Cl元素。

根据第一电离能递变规律,可知其相对大小顺序为:F>O>Cl>Na,A项错误;根据非金属性:F>O>Cl,可知简单离子的还原性:Cl->O2->F-,B项错误;根据离子半径的变化规律,可知简单离子半径:Cl->O2->F->Na+,C项正确;氢化物水溶液的酸性:HF<HCl,D项错误。

2.(2020山东,2分)下列关于C、Si及其化合物结构与性质的论述错误的是
A.键能C—C>Si—Si、C—H>Si—H,因此C2H6稳定性大于Si2H6
B.立方型SiC是与金刚石成键、结构均相似的共价晶体,因此具有很高的硬度
C.SiH4中Si的化合价为+4,CH4中C的化合价为-4,因此SiH4还原性小于CH4
D.Si原子间难形成双键而C原子间可以,是因为Si的原子半径大于C,难形成p-pπ键
2.C 本题考查C、Si及其化合物的结构与性质,考查的化学学科核心素养是宏观辨识与微观探析。

化合物中键能越大,该物质越稳定,由于键能C—C>Si—Si、C—H>Si—H,故可判断稳定性:C2H6>Si2H6,A项正确;SiC与金刚石均为立体网状的共价晶体,二者成键和结构均相似,均具有很高的硬度,B项正确;根据非金属性C>Si,可知还原性:SiH4>CH4,C项错误;由于原子半径:Si>C,Si原子间难形成p-pπ键,故决定了Si原子间很难形成双键,D项正确。

3.(2020山东,2分)B3N3H6(无机苯)的结构与苯类似,也有大π键。

下列关于B3N3H6的说法错误的是
A.其熔点主要取决于所含化学键的键能
B.形成大π键的电子全部由N提供
C.分子中B和N的杂化方式相同
D.分子中所有原子共平面
3.A 本题考查B3N3H6的结构与性质,考查的化学学科核心素养是证据推理与模型认知。

B3N3H6与苯的结构相似,属于共价化合物,共价化合物的熔点与分子间作用力有关,与化学键的键能无关,A项错误;B3N3H6中形成大π键的电子全部由N提供,B项正确;由于B3N3H6和苯的结构类似,则该分子中B和N均为sp2杂化,C项正确;由于B3N3H6和苯分子结构相似,则B3N3H6分子中12个原子共面,D项正确。

4.(2020天津,3分)短周期元素X、Y、Z、W的原子序数依次增大。

用表中信息判断下列说法正确的是
元素
最高价
X Y Z W
氧化物的水化物
分子式H3ZO4
0.1mol·L-1溶液对应的pH 1.0013.01.570.70
(25℃)0
A.元素电负性:Z<W
B.简单离子半径:W<Y
C.元素第一电离能:Z<W
D.简单氢化物的沸点:X<Z
4.A 本题考查物质性质与元素推断,考查的化学学科核心素养是宏观辨识与微观探析。

从Z 的最高价氧化物的水化物的化学式和W的最高价氧化物的水化物的pH可知,Z、W是磷、硫元素,结合X、Y的最高价氧化物水化物的0.1mol·L-1溶液的pH,可知X、Y是氮、钠元素。

电负性:P<S,A项正确;离子半径:S2->Na+,B项错误;磷的3p轨道为半满稳定状态,其第一电离能大于硫,C项错误;NH3分子间存在氢键,导致其沸点高于PH3,D项错误。

5.(2020天津,3分)关于的说法正确的是
A.分子中有3种杂化轨道类型的碳原子
B.分子中共平面的原子数目最多为14
C.分子中的苯环由单双键交替组成
D.与Cl2发生取代反应生成两种产物
5.A 本题考查有机化学基础知识,考查的化学学科核心素养是证据推理与模型认知。

该分子中甲基上的碳原子采取sp3杂化、苯环上的碳原子采取sp2杂化,碳碳三键上的碳原子采取sp 杂化,A项正确;该分子中有17个原子,共面原子数最多时,分子中甲基上的两个氢原子不在该平面内,B项错误;苯环中的碳碳键是一种介于碳碳单键和碳碳双键之间的独特的化学键,C项错误;该有机物分子中有6种不同化学环境的氢原子,与Cl2发生取代反应生成的一氯代物就有6种,D项错误。

6.(2020浙江1月选考,2分)下列说法正确的是
A.同一原子中,在离核较远的区域运动的电子能量较高
B.原子核外电子排布,先排满K层再排L层、先排满M层再排N层
C.同一周期中,随着核电荷数的增加,元素的原子半径逐渐增大
D.同一周期中,ⅡA族与ⅢA族元素原子的核电荷数都相差1
6.A 本题考查元素周期表和元素周期律的应用。

同一原子中,能量较高的电子在离核较远的区域运动,A正确;原子核外电子排布,不是先排满M层再排N层,如钾原子的M层有8个电子,N层有1个电子,而M层排满应有18个电子,B错误;同周期中,随着核电荷数的增加,主族元素的原子半径逐渐减小,C错误;同周期中ⅡA族与ⅢA族元素原子的核电荷数不一定相差1,如第四周期中Ca与Ga的核电荷数相差11,D错误。

7.(2020全国卷Ⅲ,15分)氨硼烷(NH3BH3)含氢量高、热稳定性好,是一种具有潜力的固体储氢材料。

回答下列问题:
(1)H、B、N中,原子半径最大的是。

根据对角线规则,B的一些化学性质与元
素的相似。

(2)NH3BH3分子中,N—B化学键称为键,其电子对由提供。

氨硼烷在催化剂作用下水解释放氢气:
3NH3BH3+6H2O3N H4++B3O63−+9H2
B3O63−的结构为。

在该反应中,B原子的杂化轨道类型由变
为。

(3)NH3BH3分子中,与N原子相连的H呈正电性(Hδ+),与B原子相连的H呈负电性(Hδ-),电负性大小顺序是。

与NH3BH3原子总数相等的等电子体是(写分子式),其熔点比NH3BH3(填“高”或“低”),原因是在NH3BH3分子之间,存在,也称“双氢键”。

(4)研究发现,氨硼烷在低温高压条件下为正交晶系结构,晶胞参数分别为a pm、b pm、
c pm,α=β=γ=90°。

氨硼烷的2×2×2超晶胞结构如图所示。

氨硼烷晶体的密度ρ= g·cm-3(列出计算式,设N A为阿伏加德罗常数的值)。

7.(除标明外,每空1分)(1)B Si(硅) (2)配位N sp3sp2(3)N>H>B(2分) CH3CH3(2
分) 低Hδ+与Hδ-的静电引力(4)(3分)
【解析】本题考查物质结构与性质,考查的化学核心素养是宏观辨识与微观探析。

(1)根据同一周期从左到右主族元素的原子半径依次减小,可知H、B、N中原子半径最大的是B。

元素周期表中B与Si(硅)处于对角线上,二者化学性质相似。

(2)NH3BH3中N有孤电子对,B有空轨道,N和B形成配位键,电子对由N提供。

NH3BH3中B形成4个σ键,为sp3杂化,B3O
6
3−中B形成3个σ键,为sp2杂化。

(3)电负性用来描述不同元素的原子对键合电子吸引力的大小。

与N原子相连的H呈正电性,与B原子相连的H呈负电性,故电负性N>H>B。

原子数相同、价电子总数相同的微粒互称为等电子体,与NH3BH3互为等电子体的分子为CH3CH3。

带相反电荷的微粒能形成静电引力,NH3BH3分子间存在Hδ+与Hδ-的静电引力,也称为“双氢键”,“双氢键”使物质的熔沸点较高,而CH3CH3分子间不存在“双氢键”,熔沸点较低。

(4)氨硼烷的相对分子质量为31,一个氨硼烷的2×2×2超晶胞中含有16个氨硼烷,该超晶胞的质量为(31×16/N A) g,体积为2a×10-10cm×2b×10-10cm×2c×10-10cm=8abc×10-30cm3,则氨硼烷晶体的密度为
g·cm-3。

8.(2020全国卷Ⅰ,15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+离子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)
Li 520
Be
900
B
801
Na 496
Mg
738
Al
578
(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-x FePO4,结构示意图如(b)所示,则x= ,n(Fe2+)∶n(Fe3+)= 。

8.(1)4
(1分) (2)Na与Li同族,Na电子层数多,原子半径大,易失电子(2分) Li、Be、B 5
同周期,核电荷数依次增加。

Be为1s22s2全满稳定结构,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(2分) (3)正四面体(2分) 4(1分) sp3(1分) (4)4(2分) 3
(2分) 13∶3(2分)
16
【解析】本题考查物质结构与性质知识的综合应用,考查的化学核心素养是宏观辨识与微观探析。

(1)根据构造原理可知基态Fe2+和Fe3+的价层电子排布式分别为3d6和3d5,其未成对。

(2)Li和Na均为第ⅠA族元素,由于Na电子电子数分别为4和5,即未成对电子数之比为4
5
层数多,原子半径大,故Na比Li容易失去最外层电子,即I1(Li)>I1(Na)。

Li、Be、B均为第二周期元素,随原子序数递增,第一电离能有增大的趋势,而Be的2s能级处于全充满状态,
3−的中心原子P的价层电子对数为4,孤电子较难失去电子,故第一电离能Be比B大。

(3)P O
4
3−的空间构型为正四面体。

(4)由题图可知,小白球表对数为0,中心原子P为sp3杂化,故P O
4
示锂原子,由图(a)知,每个晶胞中的锂原子数为8×1/8+4×1/4+4×1/2=4,故一个晶胞中有4个LiFePO4单元。

由图(b)知,Li1-x FePO4结构中,一个晶胞含有13/4个锂原子,此时锂原子、铁原子的个数比为13∶16,进而推出x=3/16。

设Li13Fe16(PO4)16中二价铁离子的个数为a,三价铁离子的个数为b,由2a+3b+13=48,a+b=16,得到a∶b=13∶3,即n(Fe2+)∶n(Fe3+)=13∶3。

9.(2020全国卷Ⅱ,15分)钙钛矿(CaTiO3)型化合物是一类可用于生产太阳能电池、传感器、固体电阻器等的功能材料。

回答下列问题:
(1)基态Ti原子的核外电子排布式为。

(2)Ti的四卤化物熔点如表所示,TiF4熔点高于其他三种卤化物,自TiCl4至TiI4熔点依次升高,原因是。

化合物TiF4TiCl4TiBr4TiI4
熔点
377-24.1238.3155
/℃
(3)CaTiO3的晶胞如图(a)所示,其组成元素的电负性大小顺序是;金属离子与氧离子间的作用力为,Ca2+的配位数是。

(4)一种立方钙钛矿结构的金属卤化物光电材料的组成为Pb2+、I-和有机碱离子CH3N H3+,其晶胞如图(b)所示。

其中Pb2+与图(a)中的空间位置相同,有机碱CH3N H3+中,N原子的杂化轨道类型是;若晶胞参数为a nm,则晶体密度为g·cm-3(列出计算式)。

(5)用上述金属卤化物光电材料制作的太阳能电池在使用过程中会产生单质铅和碘,降低了器件效率和使用寿命。

我国科学家巧妙地在此材料中引入稀土铕(Eu)盐,提升了太阳能电池的效率和使用寿命,其作用原理如图(c)所示,用离子方程式表示该原理、。

9.(1)1s22s22p63s23p63d24s2(2分) (2)TiF4为离子化合物,熔点高,其他三种均为共价化合物,随相对分子质量的增大分子间作用力增大,熔点逐渐升高(2分) (3)O>Ti>Ca(1分) 离子键(1分) 12(1分)
(4)Ti4+(1分) sp3(1分) ×1021(2分) (5)2Eu3++Pb2Eu2++Pb2+(2分) 2Eu2++I2
2Eu3++2I-(2分)
【解析】本题考查电子排布式的书写、杂化理论以及晶胞的计算等,考查的核心素养是证据推理与模型认知。

(1)Ti是22号元素,其基态原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2。

(2)TiF4为离子化合物,熔点高,TiCl4、TiBr4、TiI4为共价化合物,TiCl4、TiBr4、TiI4为分子晶体,其结构相似,随相对分子质量的增大分子间作用力增大,熔点逐渐升高,故熔点由高到低的顺序为TiF4>TiI4>TiBr4>TiCl4。

(3)O为非金属元素,其电负性在三种元素中最大,Ca和Ti同为第四周期元素,金属性Ca大于Ti,故电负性大小顺序为O>Ti>Ca;金属阳离子与O2-之间形成离子键;图(a)晶胞中Ca2+位于体心,O2-位于棱上,12条棱上每条棱上均有一个O2-,Ca2+的配位数为12。

(4)由图(a)和图(b)可以看出Pb2+与Ti4+空间位置相同;CH3N H
3
+中N原子分别与2个H原子、1个C原子形成共价单键,与H+形成配位键,故N原子的杂化轨道类型为sp3;
利用均摊法可知图(b)晶胞中I-个数是6×1
2=3,CH3N H
3
+个数是8×1
8
=1,Pb2+个数为1,晶胞体积
为(a×10-7cm)3,则晶胞密度ρ==×1021g·cm-3。

(5)由图(c)可知Pb与Eu3+反应生成Eu2+和Pb2+,根据氧化还原反应的规律可得反应的离子方程式为Pb+2Eu3+2Eu2++Pb2+,Eu2+与I2反应生成Eu3+和I-,其离子方程式为2Eu2++I22Eu3++2I-。

10.(2020山东,12分)CdSnAs2是一种高迁移率的新型热电材料,回答下列问题:
(1)Sn为ⅣA族元素,单质Sn与干燥Cl2反应生成SnCl4。

常温常压下SnCl4为无色液体,SnCl4空间构型为,其固体的晶体类型为。

(2)NH3、PH3、AsH3的沸点由高到低的顺序为(填化学式,下同),还原性由强到弱的顺序为,键角由大到小的顺序为。

(3)含有多个配位原子的配体与同一中心离子(或原子)通过螯合配位成环而形成的配合物为螯合物。

一种Cd2+配合物的结构如图所示,1mol该配合物中通过螯合作用形成的配位键有mol,该螯合物中N的杂化方式有种。

(4)以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置,称作原子的分数坐标。

四方晶系CdSnAs2的晶胞结构如图所示,晶胞棱边夹角均为90°,晶胞中部分原子的分数坐标如表所示。

坐标
原子
x y z
Cd000
Sn000.5
As0.250.250.12 5
一个晶胞中有个Sn,找出距离Cd(0,0,0)最近的Sn (用分数坐标表示)。

CdSnAs2晶体中与单个Sn键合的As有个。

10.(除标明外,每空1分)(1)正四面体形分子晶体(2)NH3、AsH3、PH3AsH3、PH3、NH3NH3、PH3、AsH3(3)6 1(2分) (4)4 (0.5,0,0.25)、(0.5,0.5,0)(2分) 4
【解析】本题考查晶体结构、分子结构与性质,考查的化学学科核心素养是宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等。

(1)Sn为元素周期表中ⅣA族元素,最外层有4个电子,故SnCl4的中心原子Sn的价电子对数为4+4−4×1
2
=4,且均为成键电子对,故SnCl4的空间构型为正四面体形。

由SnCl4常温常压下为液体可知SnCl4符合分子晶体的特点,故其为分子晶体。

(2)NH3中存在分子间氢键,导致其沸点比与N元素同主族的P、As元素的氢化物PH3、AsH3的沸点要高,而PH3、AsH3中均不存在分子间氢键,故影响PH3、AsH3沸点的因素为范德华力,相对分子质量越大,沸点越高,则沸点由高到低的顺序为NH3、AsH3、PH3。

通常同主族元素随着原子序数的递增,气态氢化物的还原性逐渐增强,则还原性由强到弱的顺序是AsH3、PH3、NH3。

同主族元素,随着原子序数的递增,电负性逐渐减弱,则其气态氢化物中的成键电子对逐渐远离中心原子,致使成键电子对的排斥力降低,键角逐渐减小,故键角由大到小的顺序是NH3、PH3、AsH3。

(3)该螯合物中C d2+与5个N原子、2个O原子形成化学键,其中与1个O 原子形成的为共价键,另外的均为配位键,故1mol该配合物中通过螯合作用形成6mol配位
键。

该螯合物中无论是硝基中的N原子,还是N O
3
-中的N原子,还是六元环中的N原子,N均为sp2杂化,即N只有1种杂化方式。

(4)由四方晶系CdSnAs2晶胞及原子的分数坐标可知,有4个Sn位于棱上,6个Sn位于面上,则属于一个晶胞的Sn的个数为4×1/4+6×1/2=4。

与
Cd(0,0,0)最近的Sn原子为如图所示的a、b两个Sn原子,a位置的Sn 的分数坐标为(0.5,0,0.25),b位置的Sn的分数坐标为(0.5,0.5,0)。

CdSnAs2晶体中Sn除与该晶胞中的2个As键合外,还与相邻晶胞中的2个As键合,故晶体中单个Sn与4个As 键合。