2019版高考化学一轮复习第十二章物质结构与性质课时梯级作业四十三12.3晶体结构与性质

课时梯级作业 四十三晶体结构与性质

(45分钟 100分)

非选择题(本题包括7小题,共100分)

1.(16分)(2018·信阳模拟)金属钛(22Ti)号称航空材料。回答下列问题:

(1)钛元素基态原子未成对电子数为__________个,能量最高的电子占据的能级符号为______________, 该能级所在能层具有的原子轨道数为____________。

(2)[Ti(OH)2(H2O)4]中的化学键有_______________________。 a.σ键 b.π键 c.离子键

d.配位键

2+

(3)纳米TiO2是一种应用广泛的催化剂,纳米TiO2催化的一个实例如图所示。

化合物甲的分子中采取sp杂化方式的碳原子个数为__________,化合物乙中采取sp杂化的原子的第一电离能由小到大的顺序为__________。

(4)工业上制金属钛采用金属还原四氯化钛。先将TiO2(或天然的金红石)和足量炭粉混合加热至1 000～1 100 K,进行氯化处理,生成TiCl4。写出生成TiCl4的化学反应方程式:________________________________。

(5)有一种氮化钛晶体的晶胞如图所示,该晶体的化学式为__________,该晶体中与钛原子距离最近且相等的氮原子的个数为__________。已知晶体的密度为ρ g·cm,阿伏加德罗常数为NA,则晶胞边长为__________cm(用含ρ、NA的式子表示)。

-3

2

3

【解析】(1)钛元素价电子排布式为3d4s,基态原子价电子排布图为

22

,可见钛元素基

态原子未成对电子数为2个,能量最高的电子占据的能级符号为3d,该能级所在能层为M能层,有3s、3p、3d,分别含有原子轨道数目为1、3、5,具有的原子轨道数为9。

- 1 -

(2)OH和H2O中H和O都是以σ键结合在一起,Ti提供空轨道,H2O和OH提供孤电子对,形成配位键,即[Ti(OH)2(H2O)4]中的化学键只有σ键和配位键。

(3)采取sp杂化的碳原子价层电子对数是3,该分子中碳原子价层电子对数为3的有:苯环上的碳原子、连接羰基的碳原子,所以一共有7个;采取sp杂化的原子价层电子对数是4,价层电子对个数是4的原子有:连接甲基和羟基的碳原子、氧原子和氮原子,同一周期元素中,元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势,但第ⅤA族元素大于相邻元素,所以这三种元素第一电离能从小到大顺序是C

TiCl4+2CO;

3

2

2+

-4+-

(5)观察晶胞N位于立方体的顶点和面心位置,N数=8×+6×=4;Ti位于晶胞内,有4个,化学式可写为

TiN;由晶胞图可知与Ti相连的N有四个,组成正四面体;晶胞质量为4×g,晶体的密度为ρ

g·cm,则晶胞边长为答案:(1)2 3d 9 (2)ad (3)7 C

TiCl4+2CO

-3

=cm。

(5) TiN 4

2.(15分)(2017·全国卷Ⅰ)钾和碘的相关化合物在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用。回答下列问题:

(1)元素K的焰色反应呈紫红色,其中紫色对应的辐射波长为________nm(填标号)。 A.404.4 B. 553.5 C.589.2 D.670.8 E.766.5

(2)基态K原子中,核外电子占据最高能层的符号是________,占据该能层电子的电子云轮廓图形状为________。K和Cr属于同一周期,且核外最外层电子构型相同,但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低,原因是____________________。

- 2 -

(3)X射线衍射测定等发现,I3AsF6中存在为________________。

离子。离子的几何构型为________,中心原子的杂化形式

(4)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料,具有钙钛矿型的立方结构,边长为a=0.446 nm,晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置,如图所示。K与O间的最短距离为________nm,与K紧邻的O个数为________。

(5)在KIO3晶胞结构的另一种表示中,I处于各顶角位置,则K处于________位置,O处于________位置。 【解析】(1)紫色光波长范围大约在380 nm到440 nm之间,故选A。

(2)基态K原子中,最外层电子排布为4s,核外电子占据的最高能层为第四层,符号是N,占据该能层电子的电子云轮廓图形状为球形。K和Cr都属于金属晶体,Cr的价电子数多,半径小,金属键强,所以K的熔点、沸点等都比金属Cr低。(3)根据计算公式,[I—

+

1

的价层电子对数=(7+2×1-1)/2=4,结构如下:

3

—I],中心碘原子形成了两个σ键,有两对孤电子对,因此杂化方式为sp,构型为V形。

(4)根据晶胞结构,位于顶角的K和位于相邻面心的O之间的距离最短,且刚好等于晶胞面对角线长度的一半,因此最短距离=

a/2≈1.414×0.446/2≈0.315(nm)。求与K紧邻的O个数,即求顶角周围面心的个数,

其实也就是面心立方密堆积的配位数为12。

(5)若将体心的位置设定为顶角,原本顶角的位置变成了体心,面心的位置变成了棱心。因此K位于体心位置,O位于棱心位置。 答案:(1)A

(2)N 球形 K原子半径较大且价电子数较少,金属键较弱 (3)V形 sp (4)0.315 12 (5)体心 棱心

3.(12分)(2018·抚顺模拟)地球表面十公里厚的地层中,含钛元素达千分之六,比铜多61倍,金属钛(Ti)被誉为21世纪金属,其单质和化合物具有广泛的应用价值。氮化钛(Ti3N4)为金黄色晶体,由于具有令人满

3

- 3 -

意的仿金效果,越来越多地成为黄金的代替品。以TiCl4为原料,经过一系列反应可以制得Ti3N4和纳米TiO2(如下图)。

图中的M是短周期金属元素,M的部分电离能如下表:

电离能/ (kJ·mol) 请回答下列问题:

(1)TiO2为离子晶体,已知晶体中阳离子的配位数为6,阴离子的配位数为3,则阳离子的电子排布式为__________。

(2)金属Ti与金属M的晶体原子堆积模型相同,其堆积模型为__________(填写堆积模型名称),晶体中原子在二维平面里的配位数为______________。

(3)室温下TiCl4为无色液体,沸点为136.4 ℃,由此可知其晶体类型为__________,构成该晶体的粒子的空间构型为__________。

(4)有一种氮化钛晶体的晶胞与NaCl晶胞相似,如图所示,已知该氮化钛的密度为ρ g·cm,则该晶胞中N、Ti之间的最近距离为__________pm(NA为阿伏加德常数的数值,只列算式)。该晶体中与钛原子距离相等且最近的钛原子有__________个。

-3

-1I1 738 I2 1 451 I3 7 733 I4 10 540 I5 13 630

(5)科学家通过X射线探明KCl、MgO、CaO、TiN的晶体与NaCl的晶体结构相似。且知三种离子晶体的晶格能数据如下:

离子晶体 NaCl KCl CaO - 4 -

晶格能/(kJ·mol) -1786 715 3 401 KCl、CaO、TiN三种离子晶体硬度由低到高的顺序为__________。

【解析】(1)Ti是阳离子,Ti是22号元素,因此Ti的电子排布式为1s2s2p3s3p。(2)根据金属M的电离能,在第二电离能到第三电离能发生突变,说明最外层有2个电子,M是短周期金属元素,根据部分电离能,推出是Mg,金属Ti与Mg的晶体原子堆积模型相同,因此堆积模型为六方最密堆积,二维平面里的配位数为6。(3)TiCl4为无色液体,且沸点较低,符合分子晶体的特点,因此TiCl4属于分子晶体,空间构型为正四面体。(4)根据晶胞的结构,最近N和Ti的位置是棱长的一半,设棱长为a pm,晶胞中Ti位于棱上和体心,个数为

4+

2

2

6

2

6

12×+1=4,N位于面心和顶点,个数为8×+6×=4,化学式为TiN,晶胞的质量为 g,根据密度

的定义求Ti和N的最近距离是×10,根据晶胞的结构,距离Ti最近的Ti上面有四个,同一

10

平面的有4个,下面有4个,共有12个。(5)晶格能越大,硬度越大,晶格能与阴阳离子所带电荷数以及阴阳离子的半径有关,所带电荷数越多,半径越小,晶格能越大,硬度越大,即KCl

2

2

6

2

6

(4)

(5)KCl

×10 12

10

4.(10分)(2018·吉林模拟)已知:A、B、C、D、E、F、G七种元素的核电荷数依次增大,属于元素周期表中前四周期的元素。其中A原子在基态时p轨道半充满且电负性是同族元素中最大的;D、E原子核外的M层中均有两个未成对电子;G原子核外最外层电子数与B相同,其余各层均充满。B、E两元素组成化合物B2E的晶体为离子晶体。C、F的原子均有三个能层,C原子的第一至第四电离能(kJ·mol)分别为578、1 817、2 745、11 575;C与F能形成原子数目比为1∶3、熔点为190 ℃的化合物Q。

(1)B的单质晶体为体心立方堆积模型,其配位数为__________;E元素的最高价氧化物分子的立体构型是______________。F元素原子的核外电子排布式是______________,G的高价离子与A的简单氢化物形成的配离子的化学式为______________。

- 5 -

-1

(2)试比较B、D分别与F形成的化合物的熔点高低并说明理由__________。

(3)A、G形成某种化合物的晶胞结构如图所示。若阿伏加德罗常数为NA,该化合物晶体的密度为a g·cm,其晶胞的边长为__________cm。

-3

(4)在1.01×10 Pa、t1 ℃时,气体摩尔体积为53.4 L·mol,实验测得Q的气态密度为5.00 g·L,则此时Q的组成为(写化学式)__________。

【解析】A、B、C、D、E、F、G七种元素的核电荷数依次增大,属于元素周期表中前四周期的元素。其中A原子在基态时p轨道半充满且电负性是同族元素中最大的,因此A是N。D、E原子核外的M层中均有两个未成对电子,则D的M层为3s3p,是Si。E的M层为3s3p,是S。B、E两元素组成化合物B2E的晶体为离子晶体,所以B为ⅠA族的金属,B应该是钠元素。G原子核外最外层电子数与B相同,其余各层均充满,且G的原子序数最大,因此G是铜。C、F的原子均有三个能层,因此C、F在第3周期。C的逐级电离能前三个数据接近,第四电离能突变,所以易失去三个电子,为第ⅢA族元素,C是铝。C与F能形成原子数目比为1∶3、熔点为190 ℃的化合物Q ,说明F为-1价,即F为氯元素。

(1)金属钠的单质晶体为体心立方堆积模型,其配位数为8;E元素的最高价氧化物分子是三氧化硫,其中心原子硫原子含有的孤电子对数=(6-3×2)÷2=0,所以三氧化硫分子的立体构型是平面三角形。根据构造原理可知,氯元素原子的核外电子排布式是1s2s2p3s3p;G的高价离子Cu与A的简单氢化物NH3形成的配离子的化学式为[Cu(NH3)4]。

(2)B、D与F形成的化合物分别是氯化钠和四氯化硅。因为NaCl是离子晶体,SiCl4是分子晶体,所以NaCl的熔点高于SiCl4。

2+

2

2

6

2

5

2+

2

2

2

4

5

-1

-1

(3)根据晶胞的结构可知,氮原子在顶点,含有的个数=8×=1。铜在棱边,含有的个数=12×=3,即化学式

为Cu3N。设边长为x cm,则

-1

×NA=1,解得x=

-1

。

(4)根据M=ρ×Vm=5.00 g·L×53.4 L·mol=267,是AlCl3相对分子质量的267÷133.5=2倍,所以其化学式为Al2Cl6。

答案:(1)8 平面三角形 1s2s2p3s3p

- 6 -

2

2

6

2

5

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