Question

14．Ⅰ．據(jù)有關(guān)資料顯示，海底有大量的天然氣水合物，可滿足人類1000年的能源需要．天然氣水合物是一種晶體，晶體中平均每46個(gè)水分子構(gòu)建成8個(gè)籠，每個(gè)籠可容納1個(gè)CH₄分子或1個(gè)游離H₂O分子．根據(jù)上述信息，完成下面兩題：
（1）下列關(guān)于天然氣水合物中兩種分子描述正確的是CE
A．兩種都是極性分子                    
B．兩種都是非極性分子
C．H₂O是極性分子，CH₄是非極性分子    
D．其中氧原子和碳原子的雜化方式均為sp³
E．其中氧原子和碳原子的雜化方式分別為sp²和sp³
（2）晶體中每8個(gè)籠只有6個(gè)容納了CH₄分子，另外2個(gè)籠被游離H₂O分子填充，則天然氣水合物的平均組成可表示為CH₄•8H₂O或6CH₄•48H₂O
II．（1）蘭聚氰胺分子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式如圖所示，則其中氮原子軌道雜化類型是sp²、sp³，l mol三聚氰胺分子中含15molσ鍵．
（2）某元素位于第四周期VIII族，其基態(tài)原子的未成對(duì)電子數(shù)與基態(tài)碳原子的未成對(duì)電子數(shù)相同，則其基態(tài)原子的M層電子排布式為_3s²3p⁶3d⁸．
（3）過渡金屬配合物Ni（ CO）_n的中心原子價(jià)電子數(shù)與配體提供電子總數(shù)之和為18，則n=4．
（4）碳化硅的晶胞結(jié)構(gòu)（如圖1）與金剛石類似（其中“●”為碳原子，“○”為硅原子）．圖中“●”點(diǎn)構(gòu)成的堆積方式與下列圖2式中D所表示的堆積方式相同．

（5）碳化硅的結(jié)構(gòu)中，設(shè)晶胞邊長(zhǎng)為a cm，碳原子直徑為b cm，硅原子直徑為c cm，則該晶胞的空間利用率為$\frac{2π（^{3}+{c}^{3}）}{3{a}^{3}}$×100%（用含a、b、c的式子表示）．

Answer 1

分析 I．（1）分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，正負(fù)電荷的中心不重合的分子為極性分子，而結(jié)構(gòu)對(duì)稱且正負(fù)電荷的中心重合的分子為非極性分子，根據(jù)價(jià)層電子對(duì)數(shù)判斷雜化方式；
（2）每8個(gè)籠由46個(gè)H₂O分子構(gòu)成框架，其中容納6個(gè)CH₄分子和2個(gè)H₂O分子，可判斷每8個(gè)籠共48個(gè)H₂O分子和6個(gè)CH₄分子，據(jù)此推斷可表示可燃冰的平均組成的化學(xué)式；
Ⅱ．（1）三聚氰胺分子中，氨基上的N原子成3個(gè)σ 鍵、有一個(gè)孤電子對(duì)，環(huán)上的N原子成2個(gè)σ 鍵、有一個(gè)孤電子對(duì)，雜化軌道數(shù)=σ 鍵數(shù)+孤電子對(duì)數(shù)，據(jù)此確定N原子雜化方式；根據(jù)三聚氰胺分子中含有σ 鍵計(jì)算；
（2）元素位于第四周期VIII族，其基態(tài)原子的未成對(duì)電子數(shù)與基態(tài)碳原子的未成對(duì)電子數(shù)相同，C原子的電子排布為1s²2s²2p²，未成對(duì)電子數(shù)為2，則該元素為Ni；
（3）Ni的價(jià)電子數(shù)為10，每個(gè)配體提供一個(gè)電子對(duì)，根據(jù)10+2n=18計(jì)算；
（4）由圖2可知，碳原子為面心立方堆積，為ABC型堆積；
（5）根據(jù)均攤法計(jì)算晶胞中C、Si原子數(shù)目，進(jìn)而計(jì)算晶胞中含有C、Si原子總體積，計(jì)算晶胞的體積，晶胞的空間利用率=$\frac{晶胞中C、Si原子總體積}{晶胞體積}$×100%．

解答 解：I．（1）水分子的空間構(gòu)型為V型結(jié)構(gòu)，正負(fù)電荷的中心不重合，屬于極性分子；
甲烷的空間構(gòu)型為正四面體，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，正負(fù)電荷的中心重合，屬于非極性分子；
水分子中中心原子O的價(jià)層電子對(duì)數(shù)=2+$\frac{6-1×2}{2}$=4，故氧原子為sp³雜化；
甲烷中中心原子C價(jià)層電子對(duì)數(shù)=4+$\frac{4-1×4}{2}$=4，故碳原子為sp³雜化，
故選：CE；
（2）晶體中每8個(gè)籠只有6個(gè)容納了CH₄分子，另外2個(gè)籠被游離H₂O分子填充，因此6個(gè)籠中有6個(gè)甲烷分子，水分子46+2=48，共48個(gè)H₂O，則天然氣水合物平均分子組成可表示為CH₄•8H₂O或6CH₄•48H₂O，
故答案為：CH₄•8H₂O或6CH₄•48H₂O；
Ⅱ．（1）三聚氰胺分子中，氨基上的N原子含有3個(gè) σ 鍵和一個(gè)孤電子對(duì)，所以采取sp³雜化，環(huán)上的N原子含有2個(gè) σ 鍵和一個(gè)孤電子對(duì)，所以采取sp²雜化，一個(gè)三聚氰胺分子中含有15個(gè)σ 鍵，所以1mol三聚氰胺分子中 σ 鍵為15mol，故答案為：sp²、sp³；15；
（2）元素位于第四周期VIII族，其基態(tài)原子的未成對(duì)電子數(shù)與基態(tài)碳原子的未成對(duì)電子數(shù)相同，C原子的電子排布為1s²2s²2p²，未成對(duì)電子數(shù)為2，則該元素為Ni，其基態(tài)原子的M層電子排布式為3s²3p⁶3d⁸，
故答案為：3s²3p⁶3d⁸；
（3）Ni的價(jià)電子數(shù)為10，每個(gè)配體提供一個(gè)電子對(duì)，則10+2n=18，故n=4，故答案為：4；
（4）由圖2可知，碳原子為面心立方堆積，為ABC型堆積，選項(xiàng)D符合，故答案為：D；
（5）根據(jù)均攤法計(jì)算晶胞中C原子數(shù)目=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4、Si原子數(shù)目=4，晶胞邊長(zhǎng)為a cm，則晶胞體積為a³cm³，碳原子直徑為b cm，則晶胞中C原子總體積=4×$\frac{4}{3}$×π×（$\frac{1}{2}b$）³cm³=$\frac{2}{3}$πb³cm³，硅原子直徑為c cm，則晶胞中Si原子總體積=4×$\frac{4}{3}$×π×（$\frac{1}{2}c$）³cm³=$\frac{2}{3}$πc³cm³，故晶胞中C、Si原子總體積=$\frac{2}{3}$πb³cm³+$\frac{2}{3}$πb³cm³=$\frac{2}{3}$π（b³+c³）cm³，故晶胞的空間利用率=$\frac{\frac{2}{3}π（^{3}+{c}^{3}）}{{a}^{3}}$×100%=$\frac{2π（^{3}+{c}^{3}）}{3{a}^{3}}$×100%，
故答案為：$\frac{2π（^{3}+{c}^{3}）}{3{a}^{3}}$×100%．

點(diǎn)評(píng) 本題是對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的考查，涉及分子極性、雜化軌道、晶胞計(jì)算、基態(tài)與激發(fā)態(tài)、核外電子排布、化學(xué)鍵、等知識(shí)點(diǎn)，難點(diǎn)是晶胞計(jì)算，關(guān)鍵是明確距離最近兩個(gè)陽離子，需要學(xué)生具有一定的空間想象與數(shù)學(xué)計(jì)算能力，題目難度中等．