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一、选择题
1. 氮化硅是一种新合成的超硬、耐磨、耐高温的材料。下列对氮化硅的叙述中,正确的是( )
A. 氮化硅是分子晶体
B. 氮化硅是原子晶体
C. 氮化硅是离子晶体
D. 氮化硅化学式为Si4N3
【解析】选B。从构成元素上看,氮化硅应该是共价化合物,共价化合物形成的晶体有两种可能——分子晶体和原子晶体,再由超硬、耐磨、耐高温等特点考虑,其应该属于原子晶体。从两种元素的常见价态看,氮化硅的化学式应为Si3N4。
2. 美国《科学》杂志曾报道:在40 GPa的高压下,用激光加热到1 800 K,人们成功制得了原子晶体CO2,下列对该物质的推断一定不正确的是( )
A. 该原子晶体中含有极性键
B. 该原子晶体易气化,可用作制冷材料
C. 该原子晶体有很高的熔点、沸点
D. 该原子晶体硬度大,可用作耐磨材料
【解析】选B。CO2由固态时形成的分子晶体变为原子晶体,其成键情况也发生了变化,由原来的C=O双键变为C—O单键,但化学键依然为极性共价键,故A项正确。由于晶体类型及分子结构发生变化,物质的熔、沸点等性质也发生了变化。CO2原子晶体具有高硬度,高熔、沸点等特点,故C、D选项正确,B项错误。
【方法规律】影响分子性质因素的判断
在分子内部和分子间存在着不同的作用力,这些作用力对分子的物理性质和化学性质都有不同程度的影响。因此在分析某些性质时容易造成混淆。
(1)共价键是原子间通过共用电子对形成的化学键,它存在于分子内部,影响物质的化学性质,如稳定性、活泼性等。
(2)分子间作用力是分子间微弱的相互作用,包括范德华力和氢键。分子间作用力只影响物质的物理性质,如熔点、沸点、硬度等。
(3)氢键是一种介于化学键和范德华力之间的相互作用,它只存在于分子间或分子内电负性较大、原子半径较小的非金属元素N、O、F和与之相邻的H之间。氢键的存在对物质的熔点、沸点、溶解性等物理性质有很大影响,如H2O的沸点比H2S的高许多,NH3极易溶于水等。
影响分子晶体物理性质的主要因素是存在于晶体中的分子间作用力(包括范德华力和氢键)。由于分子间作用力比化学键键能小得多,因此分子晶体的熔、沸点较低,硬度也很小。
3. 下列有关冰和干冰的叙述不正确的是( )
A. 干冰和冰都是由分子密堆积形成的晶体
B. 冰晶体中每个水分子周围只有4个紧邻的水分子
C. 干冰比冰的熔点低得多,常压下易升华
D. 干冰中只存在范德华力不存在氢键,一个分子周围有12个紧邻的分子
【解析】选A。干冰晶体中CO2分子间作用力只是范德华力,分子采取紧密堆积,一个分子周围有12个紧邻的分子;冰晶体中水分子间除了范德华力之外还存在氢键,由于氢键具有方向性,故每个水分子周围只有4个紧邻的水分子,采取非紧密堆积的方式,空间利用率小,因而密度小。
干冰熔化只需克服范德华力,冰融化需要克服范德华力和氢键,由于氢键作用力比范德华力大,所以干冰比冰的熔点低得多,而且常压下易升华。
【加固训练】干冰升华时,下列所述内容发生变化的是( )
A. 分子内共价键 B. 范德华力
C. 分子的化学性质 D. 分子间的氢键
【解析】选B。干冰是CO2的固态,为分子晶体,CO2分子间只存在范德华力,不存在氢键;干冰升华时只需克服范德华力,分子的化学性质和分子内的共价键不发生变化。
4. 下列有关分子晶体熔点高低的叙述中,正确的是( )
A. H2S>H2Se B. SiCl4>CCl4
C. NH3
CH3(CH2)3CH3
【解析】选B。A、B选项属于无氢键存在的分子结构相似的情况,相对分子质量大的熔、沸点高;C选项属于有氢键存在差别的分子结构相似的情况,存在氢键的熔、沸点高;D选项属于分子式相同,但分子结构不同的情况,支链多的熔、沸点低。
【易错提醒】比较分子晶体熔、沸点高低时,要充分考虑影响分子晶体熔、沸点的各种因素,如相对分子质量对组成和结构都相似的分子晶体熔、沸点的影响,相对分子质量越大,分子间作用力越大,熔、沸点越高;在同分异构体中,支链越多,熔、沸点越低。不要漏了氢键的影响,氢键的存在使得相应的氢化物的熔、沸点比同族元素氢化物的熔、沸点高得多。
5. (双选)下列关于原子晶体和分子晶体的说法不正确的是( )
A. 原子晶体硬度通常比分子晶体大
B. 原子晶体的熔点、沸点较高
C. 分子晶体在任何情况下都不导电
D. 金刚石、水晶和干冰属于原子晶体
【解析】选C、D。原子晶体的硬度、熔点、沸点通常比分子晶体大;分子晶体熔融或晶体时不导电,但有的溶于水能导电,如H2SO4等;干冰属于分子晶体。
【加固训练】下列关于金刚石的叙述中,不正确的是( )
A. 金刚石是碳元素的一种单质
B. 金刚石是原子晶体
C. 金刚石的硬度很大、熔点很高
D. 金刚石晶体内含有范德华力和非极性键
【解析】选D。金刚石是原子晶体,晶体内只含C—C非极性键,不存在范德华力,故金刚石的硬度很大、熔点很高。
6. 通常情况下,氯化钠、氯化铯、二氧化碳和二氧化硅的晶体结构分别如图所示:
下列关于这些晶体结构和性质的叙述不正确的是( )
A. 同一主族的元素与另一相同元素所形成的化学式相似的物质不一定具有相同的晶体结构
B. 氯化钠、氯化铯和二氧化碳的晶体都有立方的晶胞结构,它们具有相似的物理性质
C. 二氧化碳晶体是分子晶体,其中不仅存在分子间作用力,而且也存在共价键
D. 二氧化硅晶体不是密堆积结构
【解析】选B。SiO2和CO2的化学式相似,但其晶体结构不同,A项正确;二氧化碳为分子晶体,因此分子间存在分子间作用力,而分子内部碳原子和氧原子间形成共价键,氯化钠和氯化铯为离子晶体,所以三者物理性质不同,B项错误,C项正确;由于共价键具有方向性和饱和性,由此形成的晶体不是密堆积结构,D项正确。
二、非选择题
7. 下图是C60、硅、干冰和砷化镓的晶体结构或分子模型。
请回答下列问题:
(1)从晶体类型来看,C60(如图甲)属于 晶体。
(2)二氧化硅结构跟晶体硅(如图乙)的结构相似,即二氧化硅的结构相当于在硅晶体结构中每个硅与硅的化学键之间插入一个氧原子。观察图乙晶体硅的结构,结合题中所给二氧化硅的结构信息,分析二氧化硅晶体中硅原子与共价键的个数比为 。
(3)图丙是干冰的晶胞模型,图中显示出的二氧化碳分子数为14个。实际上一个二氧化碳晶胞中含有 个二氧化碳分子,二氧化碳分子中σ键与π键的个数比为 。
(4)砷化镓属于第三代半导体,它能直接将电能转变为光能,砷化镓灯泡寿命是普通灯泡的100倍,而耗能只有其10%,推广砷化镓等发光二极管(LED)照明,是节能减排的有效举措,图丁为砷化镓晶胞。试回答下列问题:
①下列说法正确的是 (填序号)。
A. 砷化镓晶胞结构与NaCl相同
B. 第一电离能:AsC. 电负性:AsD. 砷和镓都属于p区元素
②砷化镓是将(CH3)3Ga和AsH3用MOCVD方法制备得到,该反应在700℃进行,反应的方程式为? 。
【解析】(1)C60是一个分子,属于分子晶体。
(2)SiO2是原子晶体,每个Si与周围的4个O形成4个共价键。
(3)干冰也属于分子晶体,根据其晶胞结构,立方体的顶点仅占1/8,面上只占1/2,可以计算一个晶胞中只有4个CO2分子,其结构式为O=C=O,一个CO2分子中有2个σ键,2个π键。
(4)①氯化钠是面心立方晶胞,砷化镓是六方晶胞,两者晶胞结构不同,A错;镓与砷是同周期ⅢA族和ⅤA族的p区元素,同周期主族元素从左到右,第一电离能与电负性都是逐渐增大,B、C错,D对。②该反应的反应物是(CH3)3Ga和AsH3,产物有GaAs,根据原子守恒还有CH4生成,结合高温条件可写出化学方程式:(CH3)3Ga+AsH3GaAs+3CH4。
答案:(1)分子 (2)1∶4 (3)4 1∶1
(4)①D ②(CH3)3Ga+AsH3GaAs+3CH4
8. Q、R、X、Y、Z为前20号元素中的五种,Q的低价氧化物与X单质分子的电子总数相等,R与Q同族,Y和Z的离子与氩原子的电子层结构相同且Y的原子序数小于Z。
(1)Q的最高价氧化物,其固态属于 晶体,俗名为 。
(2)R的氢化物分子的空间构型是 ;属于 分子(填“极性”或“非极性”)。它与X形成的化合物可作为一种重要的陶瓷材料,硬度非常大,其化学式是 ,晶体类型是 。
(3)X的常见氢化物的空间构型是 ;它的另一氢化物X2H4是一种火箭燃料的成分,其电子式是 。
(4)Q分别与Y、Z形成的共价化合物的化学式是 和 ;Q与Y形成的分子的电子式是 ,属于 分子(填“极性”或“非极性”)。
【解析】本题综合考查物质结构的知识。根据题设条件可推知Q为C,R为Si,X为N,Y为S,Z为Cl。
(1)碳的最高价氧化物为CO2,固态时是分子晶体,其俗名为干冰。
(2)硅的氢化物为SiH4,根据CH4的空间构型可知SiH4的空间构型为正四面体形,SiH4分子中正、负电荷重心重合,属于非极性分子。Si最外层有4个电子,N最外层有5个电子,它们形成化合物时,Si为+4价,N为-3价,其化学式为Si3N4。
(3)氮的常见氢化物为NH3,其空间构型为三角锥形。根据氮、氢原子的成键原则,可得N2H4的结构简式为H2N—NH2,根据其结构简式可推写出其电子式。
(4)C与S可形成CS2,根据CO2的结构可写出CS2的电子式并知其为非极性分子。C与Cl形成CCl4分子。
答案:(1)分子 干冰 (2)正四面体形 非极性 Si3N4 原子晶体
(3)三角锥形 (4)CS2 CCl4
非极性
9. (能力挑战题)已知X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42。X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子,Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子。X跟Y可形成化合物X2Y3,Z元素可以形成负一价离子。
请回答下列问题:
(1)X元素原子基态时的电子排布式为 ,该元素的符号是 ;
(2)Y元素原子的最外层电子的轨道表示式为 ,该元素的名称是 ;
(3)X与Z可形成化合物XZ3,该化合物的空间构型为 ;
(4)已知化合物X2Y3在稀硫酸溶液中可被金属锌还原为XZ3,生成物还有ZnSO4和H2O,该反应的化学方程式是? ;
(5)比较X的氢化物与同族第2、第3周期元素所形成的氢化物稳定性、沸点高低,并说明理由? 。
【解析】(1)由X元素原子4p轨道上有3个未成对电子可知,X元素原子基态时电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p3,为砷元素。
(2)Y元素原子最外层2p轨道上有2个未成对电子,结合题意可知应为氧元素,则其最外层电子的轨道表示式为;由原子序数之和为42可知Z为氢元素。
(3)AsH3与NH3结构类似,空间构型应为三角锥形。
(4)结合题干中信息写出反应物和生成物,再根据电子守恒法配平该化学方程式。
(5)其氢化物分别为NH3、PH3、AsH3。其稳定性由化学键决定,键能越大,化合物越稳定;沸点由分子间作用力(含氢键)决定。
答案:(1)1s22s22p63s23p63d104s24p3 As
(2) 氧
(3)三角锥形
(4)As2O3+6Zn+6H2SO4====2AsH3↑+6ZnSO4+3H2O
(5)稳定性:NH3>PH3>AsH3,因为键长越短,键能越大,化合物越稳定;沸点:NH3>AsH3>PH3,NH3可形成分子间氢键,沸点最高,AsH3相对分子质量比PH3大,分子间作用力大,因而AsH3比PH3沸点高