高中化学鲁科版 (2019)选择性必修2微项目 青蒿素分子的结构测定——晶体在分子结构测定中的应用课时练习

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[基础过关练]
1．下列对sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角的比较，得出结论正确的是( )
A．sp杂化轨道的夹角最大
B．sp2杂化轨道的夹角最大
C．sp3杂化轨道的夹角最大
D．sp3、sp2、sp杂化轨道的夹角相等
[答案] A
2．能正确表示CH4中碳原子成键方式的示意图为( )
D [碳原子中的2s轨道与2p轨道形成4个等性的杂化轨道，因此碳原子最外层上的4个电子分占在4个sp3杂化轨道上并且自旋方向相同。]
3．下列分子的空间结构模型正确的是( )
A．CO2 B．NH3
C．H2S D．CH4
D [CO2的空间结构为直线形，A项错误；NH3的空间结构为三角锥形，B项错误；H2S与H2O的空间结构相似，均为角形，C项错误；CH4的空间结构为正四面体形，D项正确。]
4．下列分子的空间结构是正四面体形的是( )
①CH4 ②NH3 ③CF4 ④SiH4 ⑤C2H4 ⑥CO2
A．①②③ B．①③④ C．②④⑤ D．①③⑤
B [C原子与Si原子的价电子式都是ns2np2结构，参与成键时都是形成了4个sp3杂化轨道，故它们形成的①CH4、③CF4和④SiH4的空间结构都是正四面体形。NH3为三角锥形，C2H4为平面形，CO2为直线形。]
5．(2021·四川雅安期末)下列关于杂化轨道的说法错误的是( )
①所有原子轨道都参与杂化 ②同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化 ③杂化轨道能量集中，有利于牢固成键 ④杂化轨道中一定有一个电子
A．①③ B．②④ C．①④ D．②③
C [参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，只有能量相近的原子轨道才能参与杂化，故①错误，②正确。杂化轨道一头大一头小，成键时利用大的一头，可使原子轨道重叠程度更大，形成的化学键更牢固，故③正确。并不是所有的杂化轨道中都有电子，可以是空轨道，也可以有孤电子对(如NH3、H2O)，故④错误。]
6．(2021·四川宜宾期中)下列关于杂化轨道的叙述正确的是( )
A．杂化轨道可用于形成σ键，也可用于形成π键
B．杂化轨道可用来容纳未参与成键的孤电子对
C．NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的3个2p轨道与H原子的1s轨道杂化而成的
D．在乙烯分子中，1个碳原子的3个sp2杂化轨道分别与3个氢原子的1s轨道重叠形成3个C—H σ键
B [杂化轨道用于形成σ键，或用来容纳未参与成键的孤电子对，不能用来形成π键，A项错误，B项正确；NH3中N原子的sp3杂化轨道是由N原子的1个2s轨道和3个2p轨道杂化而成的，C项错误；在乙烯分子中，1个碳原子的3个sp2杂化轨道中的2个sp2杂化轨道分别与2个氢原子的1s轨道重叠形成2个C—H σ键，剩下的1个sp2杂化轨道与另一个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成1个C—C σ键，D项错误。]
7．下列分子或离子中，VSEPR模型名称与分子或离子的空间结构名称不一致的是( )
A．CO2 B．COeq \\al(2－,3) C．H2O D．CCl4
C [CO2分子中C原子价电子对数是2，VSEPR模型为直线形，中心原子不含孤电子对，分子结构为直线形，VSEPR模型与空间结构一致，A不符合题意；COeq \\al(2－,3)含有3个σ键，中心C原子的孤电子对数＝eq \f(1,2)×(4＋2－2×3)＝0，所以中心原子C原子价电子对数是3，VSEPR模型为平面三角形，不含孤电子对，COeq \\al(2－,3)的空间结构为平面三角形，VSEPR模型与空间结构一致，B不符合题意；水分子中中心原子O原子的价电子对数＝2＋eq \f(1,2)×(6－2×1)＝4，VSEPR模型为正四面体形，中心原子O原子含有2对孤电子对，则水分子的空间结构是角形，VSEPR模型与空间结构不一致，C符合题意；CCl4分子中，中心原子C原子的价电子对数＝4＋eq \f(1,2)×(4－1×4)＝4，VSEPR模型为正四面体形，中心原子不含孤电子对，空间结构为正四面体形，VSEPR模型与空间结构一致，D不符合题意。]
8．下列关于苯分子的性质描述错误的是( )
A．苯分子呈平面正六边形，六个碳碳键完全相同，键角皆为120°
B．苯分子中的碳原子采取sp2杂化，6个碳原子中未参与杂化的2p轨道以“肩并肩”形式形成一个大π键
C．苯分子中的碳碳键是介于单键和双键之间的一种特殊类型的键
D．苯能使溴水和酸性KMnO4溶液褪色
D [苯分子中的碳原子采取sp2杂化，六个碳碳键完全相同，呈平面正六边形结构，键角皆为120°；在苯分子中形成一个较稳定的六电子大π键，因此苯分子中的碳碳键并不是单、双键交替结构，不能使溴水和酸性KMnO4溶液褪色。]
9．用价电子对互斥理论(VSEPR)可以预测许多分子或离子的空间结构，也可推测键角大小，下列判断正确的是( )
A．CS2是角形分子 B．SnBr2键角大于120°
C．BF3是三角锥形分子 D．NHeq \\al(＋,4)键角等于109°28′
D [CS2中中心原子C原子的孤电子对数为eq \f(1,2)×(4－2×2)＝0，价电子对数为2＋0＝2，VSEPR模型为直线形，C原子上没有孤电子对，则CS2是直线形分子，A项错误；SnBr2中中心原子Sn原子上的孤电子对数为eq \f(1,2)×(4－2×1)＝1，σ键个数为2，价电子对数为2＋1＝3，VSEPR模型为平面三角形，由于孤电子对与成键电子对间的排斥作用大于成键电子对间的排斥作用，故SnBr2的键角小于120°，B项错误；BF3中中心原子B原子上的孤电子对数为eq \f(1,2)×(3－3×1)＝0，σ键个数为3，价电子对数为3＋0＝3，VSEPR模型为平面三角形，B原子上没有孤电子对，BF3是平面三角形分子，C项错误；NHeq \\al(＋,4)中中心原子N原子上的孤电子对数为eq \f(1,2)×(5－1－4×1)＝0，σ键个数为4，价电子对数为4＋0＝4，VSEPR模型为正四面体形，N原子上没有孤电子对，NHeq \\al(＋,4)的空间结构为正四面体形，键角等于109°28′，D项正确。]
10．下列微粒的中心原子的价电子对数正确的是( )
A．CH4 4 B．CO2 1 C．BF3 2 D．SO3 2
A [根据价电子对互斥理论可知，分子中的中心原子的价电子对数＝与中心原子结合的原子数＋中心原子孤电子对数。CH4中中心原子的价电子对数＝4＋eq \f(1,2)×(4－4×1)＝4；CO2中中心原子的价电子对数＝2＋eq \f(1,2)×(4－2×2)＝2；BF3中中心原子的价电子对数＝3＋eq \f(1,2)×(3－3×1)＝3；SO3中中心原子的价电子对数＝3＋eq \f(1,2)×(6－3×2)＝3。]
11．(2021·山东聊城期末)用短线“—”表示共用电子对，用“”表示未成键孤电子对的式子叫路易斯结构式。两种短周期元素组成的R分子的路易斯结构式可以表示为，下列叙述错误的是( )
A．R可能是BF3
B．R呈三角锥形
C．R可能易溶于水
D．R分子的键角大于H2O分子的键角
A [BF3中B原子上没有孤电子对，A项错误；该分子中中心原子价电子对数是4且含有一对孤电子对，根据价电子对互斥理论判断R的空间结构为三角锥形，B项正确；该分子可能是氨气，氨气易溶于水，C项正确；该分子与H2O分子的中心原子的价电子对数都是4，而H2O分子中氧原子上有2对孤电子对，所以该分子的键角大于H2O分子的键角，D项正确。]
12．下列分子或离子中，VSEPR模型为四面体形，但分子或离子的空间结构为角形的是 ( )
①NHeq \\al(－,2) ②SO2 ③CO2 ④OF2
A．①②④ B．②③ C．①④ D．③④
C [
13．2001年是伟大的化学家、1954年诺贝尔化学奖得主、著名的化学结构大师、20世纪的科学怪杰鲍林(L.Pauling)教授的100周年诞辰。这位老人谢世后，人们打开他的办公室，发现里面有一块黑板，画得满满的，其中一个结构式如图所示。老人为什么画这个结构式？它能合成吗？它有什么性质？不得而知。这是鲍林留给世人的一个谜，也许这是永远无法解开的谜，也许有朝一日你就能解开它。不管结果如何，让我们先对这个结构做一番了解：
(1)它的分子式是_____________________________________。
(2)它的所有原子是否可能处于同一个平面上？______(填“可能”或“不可能”)。
(3)它是否带有电荷？________________。
(4)该分子中sp杂化的氮原子有________个；sp2杂化的氮原子有______个；sp3杂化的氮原子有______个。
[解析] (1)根据有机物分子结构简式的书写规则，不难确定，每个环上除3个氮原子外还有3个碳原子，由此可以确定其分子式。(2)碳原子和氮原子均相当于有3个价电子对，根据价电子对互斥理论，可知它们为平面三角形结构，由此推出由碳原子和氮原子构成的环为平面结构，氧原子有4对电子对，它们的排列方式为四面体形结构，故与氧原子连接的氢原子可能在平面内，与环不直接连接的2个氮原子也在平面内。(3)由电子数可以确定，该分子不带电荷。(4)根据氮原子的成键特征和结构(或价电子对互斥理论)可以确定，采用sp2杂化方式的氮原子数为9个，采用sp杂化方式的氮原子数为1个，无sp3杂化方式。
[答案] (1)C6H2O2N10 (2)可能 (3)否 (4)1 9 0
14．(1)在形成氨气分子时，氮原子中的原子轨道发生sp3杂化形成4个________________，形成的4个杂化轨道中，只有________个含有未成对电子，所以只能与________个氢原子形成共价键，又因为4个sp3杂化轨道有一对________，所以氨气分子中的键角与甲烷不同。
(2)H＋可与H2O形成H3O＋，H3O＋中O原子采用______________杂化。H3O＋中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大，原因为____________________
________________________________________________________________。
[解析] (1)在形成NH3分子时，氮原子的2p轨道和2s轨道发生sp3杂化，形成4个杂化轨道：，含有一对孤电子对，3个未成键的单电子，可以与3个氢原子形成3个σ键。
(2)H3O＋中杂化方式为sp3杂化；H3O＋中只有一对孤电子对，H2O中有两对孤电子对，对所成共价键的排斥力H2O大于H3O＋，使得H3O＋中H—O—H键角比H2O中H—O—H 键角大。
[答案] (1)sp3杂化轨道 3 3 孤电子对
(2)sp3 H3O＋分子中有一对孤电子对，H2O分子中有两对孤电子对，对形成的H—O的排斥力H2O大于H3O＋，造成H3O＋中H—O—H键角比H2O中H—O—H键角大
15．X、Y、Z均为短周期元素，可形成X2Z和YZ2两种化合物。X、Y、Z的原子序数依次增大，X原子的K层的电子数目只有一个，Y位于X的下一周期，它的最外层电子数比K层多2个，而Z原子核外的最外层电子数比次外层电子数少2个。
(1)它们的元素符号分别为X________；Y________；Z________。
(2)用价电子对互斥理论判断：
[解析] X原子的K层的电子数只有一个，可知X为氢原子；Y位于X的下一周期，即为第2周期元素，它的最外层电子数比K层多2个，则其原子结构示意图为，故Y为C元素；Z原子核外的最外层电子数比次外层电子数少2个，且原子序数：Z>Y，则Z为S元素。从而推知X2Z为H2S，YZ2为CS2。
[答案] (1)H C S
(2)
[拓展培优练]
16．氯化亚砜(SOCl2)是一种很重要的化学试剂，可以作为氯化剂和脱水剂。下列关于氯化亚砜分子的空间结构和中心原子(S)采取杂化方式的说法正确的是( )
A．三角锥形、sp3 B．角形、sp2
C．平面三角形、sp2 D．三角锥形、sp2
A [根据价电子对互斥理论确定微粒的空间结构，价电子对数＝成键电子对数＋孤电子对数，成键电子对数＝与中心原子成键的原子数，孤电子对数＝eq \f(1,2)(中心原子的价电子数－其他原子的未成对电子数之和)，SOCl2中与S原子成键的原子数为3，孤电子对数＝eq \f(1,2)×(6－1×2－2×1)＝1，所以S原子采取sp3杂化，分子空间结构为三角锥形。]
17．据报道，大气中存在一种潜在的温室气体SF5—CF3，下列关于SF5—CF3的说法正确的是( )
A．分子中既有σ键又有π键
B．所有原子在同一平面内
C．C的杂化方式为sp3杂化
D．0.1 ml SF5—CF3分子中含8 ml电子
C [分子中只有σ键，没有π键，A错；碳原子为sp3杂化，则所有原子不可能在同一平面，B错，C对；1 ml SF5－CF3中含94 ml电子，故0.1 ml SF5－CF3分子中含9.4 ml电子，D错。]
18．(2021·宁夏石嘴山三中高三月考)下列分子中按键角由大到小的顺序排列正确的是( )
①SO3 ②NH3 ③H2O ④CH4 ⑤SO2
A．⑤①④②③ B．①⑤④②③
C．⑤①③②④ D．③②④①⑤
B [SO3中的中心原子为sp2杂化，空间结构为平面正三角形，键角为120°；NH3中的中心原子为sp3杂化，价电子对互斥理论模型为正四面体形，空间结构为三角锥形，因受1对孤电子对的影响，其键角小于109°28′；H2O中的中心原子为sp3杂化，价电子对互斥理论模型为正四面体形，空间结构为角形，因受2对孤电子对的影响，其键角比NH3更小；CH4中的中心原子为sp3杂化，空间结构为正四面体形，键角为109°28′；SO2中的中心原子为sp2杂化，价电子对互斥理论模型为平面三角形，空间结构为角形，S===O键因受孤电子对的影响，键角略小于120°。综上所述，B项正确。]
19．(2021·漯河高二检测)碳酸亚乙酯是锂离子电池低温电解液的重要添加剂，其结构如图。下列有关该物质的说法不正确的是( )
A．分子式为C3H4O3
B．分子中σ键与π键个数之比为10∶1
C．分子中既有极性键也有非极性键
D．分子中碳原子的杂化方式全部为sp2杂化
D [根据该分子的结构简式可知，碳酸亚乙酯的不饱和度为2，所以分子式为C3H4O3，选项A正确；分子中的单键为σ键有9个，双键中含1个σ键和1个π键，则分子中σ键与π键个数之比为10∶1，选项B正确；该分子中碳碳单键属于非极性键，C—H键、C—O键、C===O键是极性键，选项C正确；该分子中的两个饱和碳原子为sp3杂化，C===O键中碳的杂化方式为sp2杂化，选项D错误。]
20．部分等电子体类型、代表物质及对应的空间结构如表所示：
请回答下列问题。
(1)请写出下列离子的空间结构：
BrOeq \\al(－,3)________，COeq \\al(2－,3)________，ClOeq \\al(－,4)________。
(2)由第2周期元素原子构成，与F2互为等电子体的离子是________。
(3)SF6的空间结构如图1所示，请再按照图1的表示方法在图2中表示出OSF4分子中O、S、F原子的空间位置。已知OSF4分子中O、S间为共价双键，S、F间为共价单键。
图1 图2
[解析] (1)分别从表中找出各离子的等电子体，从而确定它们的空间结构。(2)Oeq \\al(2－,2)与F2互为等电子体。(3)OSF4与表中的PCl5互为等电子体，为三角双锥形结构，分子中只含有1个氧原子，结合“已知OSF4分子中O、S间为共价双键，S、F间为共价单键”分析O、S、F原子的空间位置。
[答案] (1)三角锥形 平面三角形 四面体形 (2)Oeq \\al(2－,2) (3)
微粒
σ键电子对数
中心原子上的孤电子对数
价电子对数
VSEPR模型
空间结构
]
NHeq \\al(－,2)
2
eq \f(1,2)×(5＋1－2×1)＝2
4
四面体形
角形
SO2
2
eq \f(1,2)×(6－2×2)＝1
3
平面三角形
角形
CO2
2
eq \f(1,2)×(4－2×2)＝0
2
直线形
直线形
OF2
2
eq \f(1,2)×(6－2×1)＝2
4
四面体形
角形
物质
价电子对数
轨道杂化形式
分子的形状
成键电子对数
孤电子对数
X2Z
YZ2
物质
价电子对数
轨道杂化形式
分子的形状
成键电子对数
孤电子对数
X2Z
2
2
sp3
角形
YZ2
2
0
sp
直线形
等电子体类型
代表物质
空间结构
四原子24电子等电子体
SO3
平面三角形
四原子26电子等电子体
SOeq \\al(2－,3)
三角锥形
五原子32电子等电子体
CCl4
四面体形
六原子40电子等电子体
PCl5
三角双锥形
七原子48电子等电子体
SF6
八面体形