晶體結構與性質1.(2019·伊犁模擬)下圖為CaF2、H3BO3(層狀結構,層內的H3BO3分子通過氫鍵結合)、金屬銅三種晶體的結構示意圖,請回答下列問題:(1)圖Ⅰ所示的CaF2晶體中與Ca2+最近且等距離的F-數為________,圖Ⅲ中未標號的銅原子形成晶體后周圍最緊鄰的銅原子數為________。

(2)圖Ⅱ所示的物質結構中最外能層已達8電子結構的原子是________,H3BO3晶體中B原子個數與極性鍵個數比為________。

(3)三種晶體中熔點最低的是________,其晶體受熱熔化時,克服的微粒之間的相互作用為______________________。

(4)結合CaF2晶體的晶胞示意圖,已知,兩個距離最近的Ca2+核間距離為a×10-8cm,計算CaF2晶體的密度為________。

【解析】(1)CaF2晶體中Ca2+的配位數為8,F-的配位數為4,Ca2+和F-個數比為1∶2,銅晶體中未標號的銅原子周圍最緊鄰的銅原子為上層1、2、3,同層的4、5、6、7、8、9,下層的10、11、12,共12個。(2)H3BO3中B原子,最外層共6個電子,H是2電子結構,只有氧原子達到8電子穩定結構。H3BO3晶體是分子晶體,相互之間通過氫鍵相連,每個B原子形成3個B—O極性鍵,每個O原子形成1個O—H共價鍵,共6個鍵。(3)H3BO3晶體是分子晶體,熔點最低,熔化時克服了分子間作用力和氫鍵。(4)一個晶胞中實際擁有的Ca2+為8×+6×=4,F-為8個,晶胞頂點及六個面上的離子為Ca2+,晶胞內部的離子為F-,1個晶胞實際擁有4個“CaF2”。則CaF2晶體的密度:4×78g·mol-1÷[(a×10-8cm)3×6.02×1023mol-1]≈g·cm-3。答案:(1)812(2)O1∶6(3)H3BO3分子間作用力和氫鍵(4)g·cm-32.東晉《華陽國志·南中志》卷四中已有關于白銅的記載,云南鎳白銅(銅鎳合金)聞名中外,曾主要用于造幣,亦可用于制作仿銀飾品。回答下列問題:(1)鎳元素基態原子的電子排布式為________,3d能級上的未成對電子數為________。

(2)硫酸鎳溶于氨水形成[Ni(NH3)6]SO4藍色溶液。氨的沸點________(填“高于”或“低于”)膦(PH3),原因是______________。

氨是________分子(填“極性”或“非極性”),中心原子的軌道雜化類型為________。

(3)單質銅及鎳都是由________鍵形成的晶體;元素銅與鎳的第二電離能分別為ICu=1958kJ·mol-1、INi=1753kJ·mol-1,ICu>INi的原因是______________。

(4)某鎳白銅合金的立方晶胞結構如圖所示。①晶胞中銅原子與鎳原子的數量比為________。

②若合金的密度為dg/cm3,晶胞參數a=________nm。

【解析】(1)鎳是28號元素,位于第四周期第Ⅷ族,根據核外電子排布規則,其基態原子的電子排布式為1s22s22p63s23p63d84s2,3d能級有5個軌道,這5個軌道先占滿5個自旋方向相同的電子,再分別占據三個軌道,電子自旋方向相反,所以未成對的電子數為2。(2)氨氣分子間存在氫鍵,分子間作用力強,所以氨的沸點高于膦(PH3);根據價層電子對互斥理論,氨氣中心原子N的σ鍵電子對數等于3,孤電子對數=1,則中心原子N是sp3雜化,分子成三角錐形,正負電荷重心不重疊,氨氣是極性分子。(3)銅和鎳屬于金屬,所以單質銅及鎳都是由金屬鍵形成的晶體;銅和鎳分別失去一個電子后若再失去電子,銅失去的是全充滿的3d10電子,鎳失去的是4s1電子,所以ICu>INi。(4)①晶胞中Ni處于頂點,Cu處于面心,則晶胞中Ni原子數目為8×=1、Cu原子數目=6×=3,故Cu與Ni原子數目之比為3∶1。②屬于面心立方密堆積,晶胞質量為g,則g=dg·cm-3×(a×10-7cm)3,解得a=×107。答案:(1)1s22s22p63s23p63d84s2(或[Ar]3d84s2)2(2)高于氨氣分子間可形成氫鍵極性sp3(3)金屬銅和鎳分別失去一個電子后若再失去電子,銅失去的是全充滿的3d10電子,鎳失去的是4s1電子(4)①3∶1②×1073.(2019·宜賓模擬節選)一種銅的氯化物晶胞結構如下圖所示。該化合物的化學式為______________________,已知P、Q、R的原子坐標分別(0,0,0)、(1,1,1)、,若Cu原子與最近的Cl原子的核間距為apm,則該晶體的密度計算表達式為__________________________。

【解析】銅的氯化物晶胞結構中Cu占據了頂點和面心,Cl占據了體內4個位置,故該化合物的化學式為CuCl,已知P、Q、R的原子坐標分別(0,0,0)、(1,1,1)、,若Cu原子與最近的Cl原子的核間距為apm,即為體對角線的四分之一,故則該晶體的邊長為×10-10cm,該晶胞的體積為:×10-30cm3,一個晶胞的質量為g,故晶胞的密度計算表達式為=×1030g·cm-3。答案:CuCl×1030g·cm-3【加固訓練】碳和硅屬于同主族元素,在生活生產中有著廣泛的用途。(1)在基態14C原子中,核外存在________對自旋方向相反的電子。

(2)Fe(CO)5又名羰基鐵,常溫下為黃色油狀液體,則Fe(CO)5的晶體類型是__________,與CO互為等電子體的分子的分子式為____________________。

(3)C、O和Si的成鍵情況如下:化學鍵C—OCOSi—OSiO鍵能/(kJ·mol-1)360803464640C和O之間易形成含有雙鍵的CO2分子晶體,而Si和O之間則易形成含有單鍵的SiO2原子晶體,請結合數據分析其原因為___________________________。

(4)觀察C60晶胞(如圖所示),回答下列問題:①與每個C60分子距離最近且相等的C60分子有________個,其距離為________cm(列出計算式即可)。

②C60晶體中C60和C60間的作用力屬于________(填“離子鍵”“共價鍵”或“分子間作用力”)

③已知C60晶體內相鄰C60球體間的距離是304pm,則與石墨層間距離(335pm)相比較,兩者數據存在差異的原因是__________________________。

(5)一種石英晶體的晶胞結構如圖所示,可以看成是在晶體硅的晶胞中每兩個硅原子間插入一個氧原子而得到的。其中硅原子的配位數為________;若該晶胞的晶胞參數為apm,則該晶體的密度為__________g·cm-3(以含a、NA的代數式表示)。

【解析】(1)碳原子的電子排布圖為,有兩對自旋方向相反的電子。(2)Fe(CO)5常溫下為液體,熔、沸點較低,則為分子晶體。與CO互為等電子體的分子為N2。(4)①C60晶胞為面心立方最密堆積,與C60分子距離最近且相等的C60分子有12個(分別在同層、上層、下層,各四個),其距離為晶胞面對角線的一半,即××1.41×10-7cm=0.71××10-7cm。②C60晶體為分子晶體,晶體中C60和C60間的作用力屬于分子間作用力。③C60的摩爾質量大于C的摩爾質量,C60分子間作用力較大,間距較小。(5)該晶胞中1個Si原子與4個O原子結合,故Si的配位數為4。每個SiO2晶胞中Si的個數為8×+6×+4=8。以該晶胞為研究對象,含有8個Si、16個O,則SiO2晶體的密度為g÷(a×10-10cm)3=g·cm-3。答案:(1)2(2)分子晶體N2(3)碳與氧之間形成雙鍵的分子放出的能量(803kJ·mol-1×2=1606kJ·mol-1)大于形成單鍵的原子晶體放出的能量(360kJ·mol-1×4=1440kJ·mol-1);硅與氧之間形成雙鍵的分子放出的能量(640kJ·mol-1×2=1280kJ·mol-1)小于形成單鍵的原子晶體放出的能量(464mol·L-1×4=1856kJ·mol-1)(4)①120.71××10-7cm(或7.1××10-8cm)②分子間作用力③C60的摩爾質量大于C的摩爾質量,C60分子間作用力較大,間距較小(5)44.(新題預測)鐵氧體是一種磁性材料,具有廣泛的應用。(1)基態鐵原子的核外電子排布式為[Ar]______________________。

(2)工業制備鐵氧體常使用水解法,制備時常加入尿素[CO(NH2)2]、醋酸鈉等堿性物質。尿素分子中四種不同元素的電負性由大至小的順序是________________;醋酸鈉中碳原子的雜化類型是__________。

(3)工業制備鐵氧體也可使用沉淀法,制備時常加入氨(NH3)、聯氨(N2H4)等弱堿。比較下表中氨(NH3)、聯氨(N2H4)的熔沸點,解釋其高低的主要原因__________________________________________。

N2H4NH3熔點/℃2-77.8沸點/℃113.5-33.5(4)如圖是從鐵氧體離子晶體Fe3O4中,取出的能體現其晶體結構的一個立方體,則晶體中的氧離子是否構成了面心立方最密堆積________(填“是”或“否”),該立方體是不是Fe3O4的晶胞________(填“是”或“否”),立方體中三價鐵離子處于氧離子圍成的________空隙(填空間結構)。

(5)根據上圖計算Fe3O4晶體的密度________g·cm-3。(圖中a=0.42nm,計算結果保留兩位有效數字)

【解析】(1)基態鐵原子核外有26個電子,其電子排布式為[Ar]3d64s2。(2)根據元素周期表中元素電負性的變化規律,電負性:O>N>C>H。CH3COONa中,甲基碳原子的雜化類型為sp3雜化,中碳原子的雜化類型為sp2雜化。(3)NH3、N2H4的分子間均能形成氫鍵,熔沸點相差較大,原因是聯氨分子間形成的氫鍵數目多于氨分子間形成的氫鍵。(4)從體心氧離子看,O周圍每個平面上均有4個氧離子,氧離子構成了面心立方最密堆積。該立方體不是最小的能夠重復的結構單元,故不是Fe3O4晶胞。根據該立方體結構,立方體中三價鐵離子處于氧離子圍成的正八面體的空隙。(5)該立方體中O2-的個數為12×+1=4,Fe3+的個數為4×+3×=2,Fe2+的個數為1,故Fe3O4晶體的密度為g÷(0.42×10-7cm)3=5.2g·cm-3。答案:(1)3d64s2(2)O>N>C>Hsp3雜化、sp2雜化(3)聯氨分子間形成的氫鍵數目多于氨分子間形成的氫鍵(4)是否正八面體(5)5.21.(2019·成都模擬)釩和鎳及其化合物是重要合金材料和催化劑,其儲氨合金可作為一種新型鋅離子電池的負極材料,該電池以Zn(Cl3SO3)2為電解質,以有缺陷的陽離子型ZnMn2O4為電極,成功獲得了穩定的大功率電流。(1)基態釩原子的核外電子排布式為__________________________,其排布時能量最高電子所占據能級的原子軌道有________個伸展方向。

(2)VO2+可與多種物質形成配合物,與氧同周期且第一電離能比氧大的主族元素有________(寫元素符號)。

(3)鎳形成的配離子[Ni(NH3)6]2+、[Ni(CN)4]2-中,NH3分子的空間構型為__________________________,與CN-互為等電體的一種分子的化學式為_________。

(4)三氟甲磺酸(CF3SO3H)是一種有機強酸,結構式如圖1所示,通常以CS2、IF3、H2O2等為主要原料來制取。①H2O2分子中O原子的雜化方式為_____________________________________。

②三氟甲磺酸能與碘苯反應生成三氟甲磺酸苯酯和碘化氫。1個三氟甲磺酸苯酯分子中含有σ鍵的數目為____________________________________________。

(5)硫化鋅晶體的構型有多種,其中一種硫化鋅的晶胞如圖2所示,該晶胞中S2-的配位數為________。

(6)鑭鎳合金是重要儲氫材料,其儲氫后的晶胞如圖3所示。①儲氫前該鑭鎳合金的化學式為__________________。

②該鑭鎳合金儲氫后氫氣的密度為________(用NA表示阿伏加德羅常數的數值)g·cm-3。

【解析】(1)基態釩原子的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d34s2或[Ar]3d34s2;其排布時能量最高的電子所占的能級為3d,3d原子軌道有5個伸展方向。(2)氧原子在第二周期ⅥA族,同一周期從左向右,與氧同周期且第一電離能比氧大的主族元素有氮原子、氟原子。(3)氨氣分子中氮原子價電子對數目為3+×(5-1×3)=4,所以采用sp3,空間構型為三角錐形;與CN-互為等電子體(電子數14)的一種分子的化學式為N2或CO。(4)①H2O2分子H—O—O—H,O原子成2個σ鍵,有2對孤對電子,原子雜化軌道數=δ鍵數+孤對電子對數=2+2=4,所以是sp3雜化。②根據該有機物的結構看出,1個分子中含有σ鍵有3個C—F鍵、1個C—S鍵、2個SO鍵、1個S—O鍵、1個C—O鍵、苯環上含有5個C—H鍵和6個C—C鍵,所以1個三氟甲磺酸苯酯分子中含有σ鍵的數目為19。(5)根據晶胞結構圖,晶胞中含有S2-和Zn2+的配位數相等,晶體中與Zn2+最近且距離相等的S2-有4個,配位數為4。(6)①根據晶胞結構圖,儲氫前,晶胞中含有鑭原子數=8×=1,鎳原子數8×+1=5,合金的化學式為LaNi5。②晶胞中氫氣分子數目8×+2×=3.儲氫后的合金化學式為LaNi5H6,儲氫后1mol晶胞的體積為:×NA=a3×10-30×NAcm3,1mol晶胞中含有的氫氣質量為6g,該鑭鎳合金儲氫后的密度為:6÷(a3×10-30NA)g·cm-3。答案:(1)[Ar]3d34s25(2)N、F(3)三角錐形N2或CO(4)①sp3②19(5)4(6)①LaNi5②2.(2019·唐山模擬)鈦對酸、堿具有較強的耐腐蝕性,密度小,比強度高,已成為化工生產中重要的材料。回答下列問題:(1)基態鈦原子的價電子排布式為________________,其原子核外未成對電子有________個。金屬鈦晶胞如圖所示,晶胞參數為a=b=295.08pm,c=468.55pm,α=β=90°,γ=120°,則金屬鈦為________堆積(填堆積方式),其中鈦原子的配位數為________。

(2)用熔融的鎂在氬氣中還原TiCl4可得到多孔的海綿鈦。已知TiCl4在通常情況下是無色液體,熔點為-25℃,沸點為136℃,由此可知TiCl4為________晶體。

(3)通過X-射線探明KCl、CaO、TiN晶體與NaCl晶體結構相似,且知兩種離子晶體的晶格能數據如下:離子晶體KClCaO晶格能/(kJ·mol-1)7153401解釋KCl晶格能小于CaO的原因:______________________________。

(4)鈦可與C、N、O等元素形成二元化合物,C、N、O元素的電負性由大到小的順序是______________________。

(5)鈣鈦礦晶體的晶胞結構如圖所示,則該晶體的化學式為__________________________________。晶胞中的原子可用x、y、z組成的三數組來表示它在晶胞中的位置,稱為原子坐標。已知原子坐標為A(0,0,0),B;則Ca的原子坐標為______________。

【解析】(1)鈦原子的核電荷數為22,其電子排布式為[Ar]3d24s2,則價電子排布式為3d24s2,其原子核外的d軌道有2個未成對電子。如題圖所示,金屬鈦為六方最密堆積,其中鈦原子的配位數為12。(2)TiCl4在通常情況下是無色液體,熔點為-25℃,沸點為136℃,熔、沸點較低,由此可判斷TiCl4是由共價鍵結合的分子,屬于分子晶體。(3)已知離子晶體的離子半徑越小,所帶電荷數越多,晶格能越大。KCl、CaO均是離子晶體,而K+的半徑大于Ca2+、K+的電荷數小于Ca2+,Cl-的半徑大于O2-、Cl-的電荷數小于O2-,故KCl的晶格能小于CaO的晶格能。(4)元素的非金屬性越強,電負性越大,C、N、O三種元素非金屬性的強弱順序為O>N>C,則電負性由大到小的順序是O>N>C。(5)根據鈣鈦礦晶胞結構圖,晶胞中Ti原子數為8×=1,O原子數為12×=3,Ca原子數為1,所以該化合物的化學式為CaTiO3。Ca位于晶胞的體心,則Ca的原子坐標為。答案:(1)3d24s22六方最密12(2)分子(3)KCl、CaO均是離子晶體,而K+的半徑大于Ca2+、K+的電荷數小于Ca2+,Cl-的半徑大于O2-、Cl-的電荷數小于O2-,故KCl的晶格能小于CaO的晶格能(4)O>N>C(5)CaTiO33.(新題預測)鐵、鈷、鎳并稱鐵系元素,性質具有相似性。(