Question

15．如圖的分子結(jié)構(gòu)模型A（相對(duì)分子質(zhì)量為M）是由4種半徑依次增大的短周期元素X、Y、Z、M構(gòu)成，該物質(zhì)溶于水顯強(qiáng)酸性．請(qǐng)回答下列問題．
（1）M的基態(tài)電子排布式是1s²2s²2p⁶3s²3p⁴
（2）A分子中，Z原子、M原子采用的雜化軌道方式分別是sp²、sp³
（3）A作為油田酸化注水井的酸、與同濃度的鹽酸相比，同碳酸鈣反應(yīng)慢，而且濃度愈大，反應(yīng)速度愈慢，請(qǐng)從結(jié)構(gòu)上予以解釋苯磺酸中苯基為憎水基團(tuán)，水溶性差，影響氫離子電離，苯磺酸通過范德華力結(jié)合，而苯磺酸根體積大，質(zhì)量大，范德華力強(qiáng)，比氯離子移動(dòng)慢
（4）電極材料碳納米管B的結(jié)構(gòu)見如圖，其比乙塊黑電極在電池中更優(yōu)越，主要原因是碳納米管的結(jié)構(gòu)規(guī)范整齊，電子流動(dòng)有序性高，電阻小、磺酸基極性強(qiáng)，能與水形成氫鍵，電解質(zhì)交互性好．
（5）A晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，晶胞邊長(zhǎng)是apm，則其密度為（列式表示）$\frac{4M}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$g/cm³．

Answer 1

分析 圖中分子結(jié)構(gòu)模型A（相對(duì)分子質(zhì)量為M）是由4種半徑依次增大的短周期元素X、Y、Z、M構(gòu)成，該物質(zhì)溶于水顯強(qiáng)酸性，由結(jié)構(gòu)可知A為苯磺酸，X為H、Y為C、Z為O、M為S．
（1）S元素原子核外有16個(gè)電子，結(jié)構(gòu)構(gòu)造原理書寫；
（2）分子中氧元素表現(xiàn)-2價(jià)，結(jié)合結(jié)構(gòu)判斷原子形成σ鍵數(shù)目、孤電子對(duì)數(shù)，確定氧原子雜化軌道；
S原子與碳原子、羥基中氧原子形成1對(duì)共用電子對(duì)，與非羥基O形成2對(duì)共用電子對(duì)，進(jìn)而確定其雜化軌道；
（3）苯磺酸中苯基為憎水基團(tuán)，水溶性差，影響氫離子電離，苯磺酸通過范德華力結(jié)合，而苯磺酸根體積大，質(zhì)量大，范德華力強(qiáng)，比氯離子移動(dòng)慢；
（4）碳納米管的結(jié)構(gòu)規(guī)范整齊，電子流動(dòng)有序性高，電阻小，磺酸基極性強(qiáng)，能與水形成氫鍵，電解質(zhì)交互性好；
（5）A晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，苯磺酸處于頂點(diǎn)與面心位置，根據(jù)均攤法計(jì)算晶胞中苯磺酸分子數(shù)目，進(jìn)而計(jì)算晶胞的質(zhì)量，根據(jù)晶胞邊長(zhǎng)是apm計(jì)算晶胞體積，再根據(jù)ρ=$\frac{m}{V}$計(jì)算其密度．

解答 解：圖中分子結(jié)構(gòu)模型A（相對(duì)分子質(zhì)量為M）是由4種半徑依次增大的短周期元素X、Y、Z、M構(gòu)成，該物質(zhì)溶于水顯強(qiáng)酸性，由結(jié)構(gòu)可知A為苯磺酸，X為H、Y為C、Z為O、M為S．
（1）S元素原子核外有16個(gè)電子，基態(tài)電子排布式是：1s²2s²2p⁶3s²3p⁴，
故答案為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁴；
（2）分子中氧元素表現(xiàn)-2價(jià)，羥基中O原子價(jià)層電子對(duì)數(shù)=2+$\frac{6-1×2}{2}$=3，非羥基氧原子價(jià)層電子對(duì)數(shù)=1+$\frac{6-2}{2}$=3，含有1對(duì)孤電子對(duì)，故采取sp²雜化；S原子形成4個(gè)σ鍵數(shù)，價(jià)層電子對(duì)數(shù)為4+$\frac{6-1-1-2×2}{2}$=4，故S原子采取sp³雜化，
故答案為：sp²；sp³；
（3）苯磺酸中苯基為憎水基團(tuán)，水溶性差，影響氫離子電離，苯磺酸通過范德華力結(jié)合，而苯磺酸根體積大，質(zhì)量大，范德華力強(qiáng)，比氯離子移動(dòng)慢，故與同濃度的鹽酸相比，同碳酸鈣反應(yīng)慢，而且濃度愈大，反應(yīng)速度愈慢，
故答案為：苯磺酸中苯基為憎水基團(tuán)，水溶性差，影響氫離子電離，苯磺酸通過范德華力結(jié)合，而苯磺酸根體積大，質(zhì)量大，范德華力強(qiáng)，比氯離子移動(dòng)慢；
（4）碳納米管的結(jié)構(gòu)規(guī)范整齊，電子流動(dòng)有序性高，電阻小，磺酸基極性強(qiáng)，能與水形成氫鍵，電解質(zhì)交互性好，其比乙塊黑電極在電池中更優(yōu)越，
故答案為：碳納米管的結(jié)構(gòu)規(guī)范整齊，電子流動(dòng)有序性高，電阻��；磺酸基極性強(qiáng)，能與水形成氫鍵，電解質(zhì)交互性好；
（5）A晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，苯磺酸處于頂點(diǎn)與面心位置，晶胞中苯磺酸分子數(shù)目為8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，則晶胞的質(zhì)量為4×$\frac{M}{{N}_{A}}$g，晶胞邊長(zhǎng)是a pm，則晶胞體積為（a×10^-10 cm）³，則其密度為4×$\frac{M}{{N}_{A}}$g÷（a×10^-10 cm）³=$\frac{4M}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$g/cm³，
故答案為：$\frac{4M}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$．

點(diǎn)評(píng) 本題是對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的考查，涉及核外電子排布、雜化軌道、晶胞計(jì)算、分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等，根據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式判斷A物質(zhì)及元素是解題關(guān)鍵，苯磺酸在中學(xué)中基本沒有涉及，（3）（4）為難點(diǎn)，難度較大．