备考2024届高考化学一轮复习分层练习第五章物质结构与性质元素周期律第7讲物质结构与性质的综合题

这是一份备考2024届高考化学一轮复习分层练习第五章物质结构与性质元素周期律第7讲物质结构与性质的综合题，共8页。试卷主要包含了硼形成物质时比较复杂和变化多端等内容，欢迎下载使用。
1.硼（B）、钴（C）和锰（Mn）形成物质时比较复杂和变化多端。
（1）基态C的价层电子排布式为 3d74s2 ，在第二周期主族元素中，第一电离能比B低的元素是 Li 。
（2）硝酸锰是工业制备中常用的催化剂，Mn（NO3）2中NO3－的空间结构为 平面三角形 ；写出两种与NO3－互为等电子体的微粒的化学式： CO32－、SO3（其他合理答案也可） 。
（3）①偏硼酸根离子的一种无限长的链式结构如图1所示，其化学式可表示为 （BO2）nn－（或 BnO2nn－） （用n表示硼原子的个数）。
图1
②一种五硼酸根离子的结构如图2所示，其中B原子的杂化方式为 sp3、sp2 。
图2
解析 （1）C是27号元素，其基态原子的价层电子排布式为3d74s2；同一周期主族元素，元素的第一电离能随着原子序数的增大而整体呈增大的趋势，但第ⅡA族元素的第一电离能大于第ⅢA族元素，第ⅤA族元素的第一电离能大于第ⅥA族元素，所以第二周期主族元素中第一电离能比B低的元素是Li。（2）NO3－的中心原子N的价层电子对数为3＋5+1－3×22＝3，没有孤电子对，NO3－的空间结构为平面三角形；与NO3－互为等电子体的粒子含有4个原子、价电子总数为24，有CO32－、SO3、BF3等。（3）①根据“均摊法”，无限长的链式偏硼酸根离子结构中，一个B原子占有O原子的数目为1＋2×12＝2，所以其化学式可表示为（BO2）nn－或 BnO2nn－。②根据杂化轨道理论，五硼酸根离子中，形成3个σ键的B原子为sp2杂化，形成4个σ键的B原子为sp3杂化。
2.[2024浙江名校联考]钙钛矿材料具有可设计性，其吸光能力远高于晶硅材料。钙钛矿常由H、N、O、Ca、Ti、卤素等元素形成。
（1）基态Ti原子的价电子排布图为 。与Ti位于同一周期且含有相同未成对电子数的主族元素为 Ge、Se 。
（2）下列说法正确的是 BC （填字母）。
A.CH3NH3＋中C原子与N原子的杂化类型不同
B.N、O元素的第二电离能大小顺序为O＞N
C.CaTiO3的组成元素的电负性大小顺序是O＞Ti＞Ca
D.SiCl4的相对分子质量大于SiO2，所以SiCl4的沸点大于SiO2
解析 （1）Ti为22号元素，基态Ti原子的电子排布式为[Ar]3d24s2，价电子排布图为。Ti的未成对电子数为2，与Ti位于同一周期且含有相同未成对电子数的主族元素，其电子排布式为[Ar]3d104s24p2、[Ar]3d104s24p4，对应元素分别为Ge、Se。（2）CH3NH3＋中C原子形成4个σ键，无孤电子对，杂化类型为sp3，N原子形成4个σ键（其中1个为配位键），无孤电子对，杂化类型为sp3，A项错误；O元素失去1个电子后2p能级为半充满结构，则O的第二电离能大于N的第二电离能，B项正确；CaTiO3的组成元素的电负性大小顺序是O＞Ti＞Ca，C项正确；SiCl4为分子晶体，SiO2为共价晶体，SiCl4的沸点小于SiO2，D项错误。
3.[2023贵州贵阳部分中学质检]某科研团队报道了一组铁铜双金属有机化合物用于催化在水汽置换条件下的苯甲醛还原反应。已知铁铜双金属有机化合物的结构如图所示（R代表的是烃基，L代表的是复杂基团）。
（1）基态铜原子的价电子排布式为 3d104s1 。
（2）该物质中碳元素的杂化方式为 sp、sp2、sp3 。
（3）如表是Fe和Cu部分电离能的数据，请解释I2（Fe）小于I2（Cu）的主要原因： Cu失去一个电子后成为Cu＋，Cu＋的价电子排布式是全充满的3d10，再失去第二个电子时，需要的能量比较多，Fe失去一个电子后成为Fe＋，其价电子排布式为3d64s1，再失去第二个电子，需要的能量相对较低 。
（4）Cu可以形成多种配合物，[Cu（NH3）4]2＋是常见的配合物，具有对称的空间结构。其中两个NH3被两个CN－取代，能得到两种不同结构的产物，则[Cu（NH3）4]2＋的空间结构为 正方形 ，一个CN－中σ键和π键的数目之比为 1∶2 。
（5）NH3可以与多种金属离子形成络合物，且NH3极易溶于水，原因与氢键有关，则NH3的一水合物的结构式为 ，理由是 NH3·H2O是由于NH3和H2O之间存在氢键而形成的，其结构可能有2种情况：，根据NH3·H2O⇌NH4＋＋OH－，可以推测正确的结构式为 。
（6）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，称为原子的分数坐标。Fe和Cu在自然界常以硫化物的形式存在，一种四方结构的晶胞结构及部分原子的分数坐标如下。
写出该晶胞中距离Cu（0，0，0）最近的S的坐标参数： （34，14，18）、（14，34，18）、（14，14，38） （用分数坐标表示），该晶体的密度为 4×（64+56+32×2）NA×2a3×10－30 g·cm－3（阿伏加德罗常数的值用NA表示）。
解析 （1）铜是29号元素，基态铜原子的价电子排布式为3d104s1。（2）饱和碳原子是sp3杂化，五元碳环中碳原子是sp2杂化，—CO中碳原子是sp杂化。（4）根据[Cu（NH3）4]2＋的组成判断其空间结构应该是正四面体形或者正方形，其中两个NH3被两个CN－取代的产物有两种，所以是正方形。CN－中C、N之间是三键，所以一个CN－中σ键和π键的数目之比为1∶2。（6）由晶胞结构可知，在该晶胞中距离Cu（0，0，0）最近的S原子有三个，坐标参数分别是（34，14，18）、（14，34，18）、（14，14，38），根据均摊法可知，一个该晶胞中有4个铜原子、4个铁原子、8个硫原子，所以该晶体的密度为4×（64+56+32×2）NA×2a3×10－30 g·cm－3。
4.[2023山东济宁检测改编]锂离子电池能够成为产业发展方向，主要基于其拥有较高的能量重量比和能量体积比等多项特性，正极材料为钴酸锂、锰酸锂和磷酸亚铁锂材料等。
（1）工业上以FeCl3、NH4H2PO4、LiCl及苯胺（）为原料制备磷酸亚铁锂。基态Cl原子的价电子的轨道表示式为 ，其在元素周期表中的位置为 第三周期第ⅦA族 ，O、N、P的电负性由大到小的顺序为 O＞N＞P 。
（2）锂离子电池可采用离子液体作为电解质，两种离子液体的结构分别为。1 ml化合物Ⅰ中含有 23 ml σ键；化合物Ⅱ中阳离子的空间结构为 四面体形 。传统的有机溶剂大多易挥发，而离子液体有相对难挥发的优点，原因是 有机溶剂通过分子间作用力结合而成，而离子液体通过阴、阳离子结合形成离子键，离子键作用力大于分子间作用力 。
（3）实验室可利用硝酸锰受热分解制备锰的一种氧化物（晶胞结构如图所示）。
①该锰的氧化物中Mn的化合价为＋4，请在下图中画出沿z轴方向的投影图。
②已知Mn和O的半径分别为m pm和n pm，则该晶体的空间利用率为 4π（2m3+4n3）3a2b×100％ （列出计算式即可）。
解析 （1）氯原子的价电子排布式为3s23p5，价电子的轨道表示式为；Cl是第三周期第ⅦA族元素；同周期从左至右，元素的电负性逐渐增大，O的电负性大于N，同主族从上至下，元素的电负性逐渐减小，N的电负性大于P，故电负性O＞N＞P。（2）1 ml化合物Ⅰ中含有23 ml σ键。化合物Ⅱ中阳离子的中心原子N的价层电子对数为4＋5－1－42＝4，N采取sp3杂化，阳离子的空间结构为四面体形。传统的有机溶剂都是不带电的分子，通过分子间作用力结合而成，而离子液体通过阴、阳离子结合形成离子键，离子键作用力大于分子间作用力，故离子液体相对难挥发。（3）①由题图可知，1个锰的氧化物晶胞中Mn的个数为1＋18×8＝2，O的个数为2＋12×4＝4，则该锰的氧化物的化学式为MnO2，O的化合价为－2，则Mn的化合价为＋4。该晶胞沿z轴方向的投影图为。②该晶体的1个晶胞中含有2个Mn和4个O，已知Mn和O的半径分别为m pm和n pm，1个晶胞中Mn和O的总体积为（43πm3×2＋43πn3×4） pm3＝43π（2m3＋4n3）pm3，1个晶胞的体积为a2b pm3，该晶胞的空间利用率为43π（2m3+4n3) pm3a2bpm3×100％＝4π（2m3+4n3）3a2b×100％。
5.[双氢键][2023广西南宁测试]科学家研究发现氮化硼负载镍（Ni/BN）催化剂在甲烷和二氧化碳的催化重整的反应中具有优异的抗积炭性能。制备金刚石型BN的一种方法为NaBH4BH+H2O（OH）3NH3在SiC表面BN。
（1）基态镍原子的M层电子排布式为 3s23p63d8 。
（2）上述制备方法中涉及的B、C、N、O元素，第一电离能由大到小的排序是 N＞O＞C＞B 。
（3）BH4－转变为B（OH）3后，B原子的杂化轨道类型由 sp3 变为 sp2 。
（4）分子之间除范德华力外，还有可能形成氢键，处于不同环境的氢原子也有可能显不同的电性，带相反电性的两个氢原子会形成一种新的作用力，叫双氢键。
比较沸点：氨硼烷（H3N—BH3）＞（填“＞”“＜”或“＝”）乙烷（H3C—CH3），并说明原因 氨硼烷分子间既能形成氢键又能形成双氢键，增强了氨硼烷分子间的相互作用，使沸点大幅升高 。
（5）MgxNiyH2x是一种储氢材料。MgxNiyH2x晶胞形状为如图立方体，Ni原子占据顶点和面心，Mg处于八个小立方体的体心。该化合物的化学式为 Mg2NiH4 ，已知该晶体的密度为ρ g·cm－3，则Ni和Mg之间的最短距离为 3444ρNA×34×1010 pm（用NA表示阿伏加德罗常数的值，列出计算式即可）。
解析 （1）镍为28号元素，基态Ni原子的M层电子排布式为3s23p63d8。（2）同周期元素从左至右，第一电离能呈现增大的趋势，但由于基态N原子的2p轨道处于半充满稳定状态，故其第一电离能大于O的第一电离能，则第一电离能N＞O＞C＞B。（3）BH4－中B原子形成4个B—H键，B原子周围有4个成键电子对，无孤电子对，采取sp3杂化，B（OH）3中每个B原子形成 3个B—O键，且不含孤电子对，采取sp2杂化。（4）电负性N＞H＞B，则H3N—BH3中与N相连的H呈正电性，与B相连的H呈负电性，由题意可知，氨硼烷（H3N—BH3）分子间既能形成氢键又能形成双氢键，增强了氨硼烷分子间的作用力，因此氨硼烷的沸点高于乙烷的沸点。（5）Ni位于顶点和面心，其个数为8×18＋6×12＝4，Mg处于八个小立方体的体心，其个数为8，根据该储氢材料的化学式MgxNiyH2x可知，该化合物的化学式为Mg2NiH4，则晶胞的质量为4×111NA g，又晶体的密度为ρ g·cm－3，故晶胞的棱长为34×111NAρ cm，根据晶胞结构可知，Ni和Mg的最短距离为晶胞体对角线长度的14，为3444ρNA×34×1010 pm。
6.[2023山东潍坊模拟]氢燃料的储存是氢燃料电池应用的关键，储氢材料能可逆地大量吸放氢，在氢的储存与输送过程中是一种重要载体。回答下列问题：
（1）某种镧镍合金储氢材料的晶体结构单元如图所示。基态Ni原子核外有2个未成对电子。
（2）晶体结构单元中La原子的配位数为 18 ，该合金的密度约为0.33 g·cm－3，则该晶体结构单元的体积为 6.6×109 pm3（保留两位有效数字，已知阿伏加德罗常数的值为6.02×1023）。
（3）钠铝合金储氢后的化学式为NaAlH4，其阴离子的中心原子的价电子对数为 4 ，该离子的空间结构是 正四面体形 。
（4）十二氢－N－乙基咔唑（）是一种有机储氢材料，该材料储氢后的脱氢是技术关键，PdCu/rGO合金催化剂能在较低温度下使其达到脱氢的目的。脱氢机理如图。
储氢后的十二氢－N－乙基咔唑为图中的X，则X中碳原子的杂化方式有 1 种，钯铜合金纳米催化剂中微粒之间的作用力是 金属键 ，脱氢的化学方程式是 催化剂＋6H2↑ 。
解析 （1）基态Ni原子的核外电子排布式为[Ar]3d84s2，3d能级上有2个未成对电子。（2）以该结构单元中上层面心上的La为研究对象，由图中数据知，距其最近的Ni个数为18，分别位于该La的同层（6个）、上层（6个）和下层（6个）。该晶体结构单元中La有12个位于顶点、2个位于面心，由均摊法知，该晶体结构单元中La的个数为12×16＋2×12＝3，Ni有18个位于面上、6个位于体内，由均摊法知，该晶体结构单元中Ni的个数为18×12＋6＝15，该晶体结构单元的质量为139×3+59×156.02×1023 g，该晶体结构单元的体积为139×3+59×156.02×1023 g÷0.33 g·cm－3≈6.6×10－21 cm3＝6.6×109 pm3。（3）AlH4－中Al的孤电子对数为3+1－1×42＝0，价层电子对数为4＋0＝4，则AlH4－的空间结构为正四面体形。（4）由题意知，X的结构简式为，其中碳原子均为饱和碳原子，杂化类型为sp3。钯铜合金纳米催化剂为金属晶体，微粒之间的作用力是金属键。
7.[晶胞分割][2023豫北名校联考]镍及其化合物的相关研究备受关注。
（1）镍能形成多种配合物，其中Ni（CO）4和K2[Ni（CN）4]的相关信息如表：
K2[Ni（CN）4]熔点高于Ni（CO）4的原因是 K2[Ni（CN）4]是离子晶体，Ni（CO）4是分子晶体，破坏分子晶体的范德华力所需的能量比破坏离子晶体的离子键所需的能量要小 ；Ni（CO）4为 非极性 （填“极性”或“非极性”）分子，Ni提供的空轨道数目为 4 。
（2）科学家研究发现，在含镍催化剂作用下可利用三聚氰胺制备石墨相光催化材料g－C3N4。已知三聚氰胺在冷水中溶解度小而加热时溶解度增大，从氢键的角度解释原因： 热水破坏了部分三聚氰胺分子间的氢键，并且三聚氰胺分子与水分子形成分子间氢键，增大了溶解度 ；1 ml 三聚氰胺中含有的σ键的物质的量为 15 ml。
（3）镍能形成多种氧化物，一种镍的氧化物的结构特征为氧离子形成面心立方结构，镍离子位于氧离子构成的八面体空隙中。下图中的 bd （填字母）是从该晶胞中分割出来的结构。
已知该晶体密度为ρ g·cm－3，NA为阿伏加德罗常数的值，则晶胞中两个镍离子之间的最短距离为 22×3300ρNA×1010 pm（用含ρ和NA的代数式表示）。
解析 （1）Ni（CO）4中Ni与CO的C原子形成配位键，形成四面体结构，其结构如图，正负电荷中心重合，属于非极性分子，Ni提供的空轨道数目为4。（2）1个单键含1个σ键，1个双键含1个σ键和1个π键，故1 ml三聚氰胺中含有的σ键的物质的量为15 ml。（3）由氧离子形成面心立方结构，镍离子位于氧离子构成的八面体空隙中，知该镍的氧化物的晶胞结构为，其中白球代表氧离子，黑球代表镍离子，故符合题意的选项为bd；该晶胞中镍离子的数目为4，氧离子的数目为4，晶胞质量为4×75NA g＝300NA g，该晶体密度为ρ g·cm－3，则晶胞体积为300ρNA cm3，设晶胞边长为a pm，则a＝3300ρNA×1010，晶胞中两个镍离子之间的最短距离为面对角线长度的一半，即22×3300ρNA×1010 pm。元素
Fe
Cu
第一电离能I1/（kJ·ml－1）
759
746
第二电离能I2/（kJ·ml－1）
1 561
1 958
x
y
z
Cu
0
0
0
Fe
0.5
0.5
0
配合物
状态
溶解性
Ni（CO）4
无色挥发性液体
不溶于水，易溶于苯、四氯化碳等有机溶剂
K2[Ni（CN）4]
红黄色单斜晶体
易溶于水