Question

水是地球表面上普遍存在的化合物，我們可以用我們學(xué)習(xí)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的有關(guān)知識(shí)去認(rèn)識(shí)它．
（1）水的組成元素為氫和氧．氧的基態(tài)原子的價(jià)電子排布圖為

 

，氧的第一電離能在同周期元素中由大到小排第

 

位．
（2）根據(jù)雜化軌道理論，水分子中的氧原子采取的雜化形式是

 

；根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論，水分子的VSEPR模型名稱為

 

；根據(jù)等電子體原理，寫出水合氫離子的一個(gè)等電子體（寫結(jié)構(gòu)式）

 

．
（3）水分子可以形成許多水合物．
①水分子可以作配體和銅離子形成水合銅離子[Cu（H₂O）₄]²⁺，1mol水合銅離子中含有σ鍵數(shù)目為

 

．
②圖1是水合鹽酸晶體H₅O₂⁺?Cl^-中H₅O₂⁺離子的結(jié)構(gòu)．

在該離子中，存在的作用力有

 

．
a．配位鍵   b．極性鍵   c．非極性鍵   d．離子鍵
e．金屬鍵   f．氫鍵    g．范德華力    h．π鍵   i．σ鍵
（4）韓國(guó)首爾大學(xué)科學(xué)家將水置于一個(gè)足夠強(qiáng)的電場(chǎng)中，在20℃時(shí)，水分子瞬間凝固形成了“暖冰”．請(qǐng)從結(jié)構(gòu)上解釋生成暖冰的原因

 

．
（5）最新研究發(fā)現(xiàn)，水能凝結(jié)成13種類型的結(jié)晶體，除普通冰以外其余各自的冰都有自己奇特的性質(zhì)：有在-30℃才凝固的超低溫冰，它的堅(jiān)硬程度可和鋼相媲美，能抵擋炮彈轟擊；有在180℃高溫下依然不變的熱冰；還有的冰密度比水大，號(hào)稱重冰．圖2為冰的一種骨架形式，依此為單位向空間延伸．
①該冰中的每個(gè)水分子有

 

個(gè)氫鍵；
②冰融化后，在液態(tài)水中，水分子之間仍保留有大量氫鍵將水分子聯(lián)系在一起，分子間除了無(wú)規(guī)則的分布及冰結(jié)構(gòu)碎片以外，一般認(rèn)為還會(huì)有大量呈動(dòng)態(tài)平衡的、不完整的多面體的連接方式．右圖的五角十二面體是冰熔化形成的理想多面體結(jié)構(gòu)．假設(shè)圖3中的冰熔化后的液態(tài)水全部形成如圖3的五角十二面體，且該多面體之間無(wú)氫鍵，則該冰熔化過(guò)程中氫鍵被破壞的百分比為

 

．
③如果不考慮晶體和鍵的類型，哪一物質(zhì)的空間連接方式與這種冰連接類似？

 

；
④已知O-H…O距離為295pm，列式計(jì)算此種冰晶體的密度

 

g/cm³．（已知295²=8.70×10⁴，295³=2.57×10⁷，

2

=1.41，

3

=1.73）

Answer 1

考點(diǎn)：晶胞的計(jì)算,原子核外電子排布,元素電離能、電負(fù)性的含義及應(yīng)用,化學(xué)鍵,“等電子原理”的應(yīng)用,原子軌道雜化方式及雜化類型判斷,氫鍵的存在對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的影響

專題：原子組成與結(jié)構(gòu)專題,化學(xué)鍵與晶體結(jié)構(gòu)

分析：（1）根據(jù)原子核外電子排布原則：電子優(yōu)先單獨(dú)占據(jù)1個(gè)軌道，且自旋方向相同是，能量最低，根據(jù)此原則，O原子核外有8個(gè)電子；同一周期元素中，元素的第一電離能隨著原子序數(shù)的增大而呈增大趨勢(shì)，但第IIA族、第VA族元素的第一電離能大于相鄰元素；
（2）根據(jù)雜化軌道數(shù)判斷雜化類型，雜化軌道數(shù)=σ鍵數(shù)+孤對(duì)電子對(duì)數(shù)，據(jù)此判斷雜質(zhì)類型，確定分子的空間構(gòu)型；根據(jù)原子數(shù)目和電子數(shù)目來(lái)分析等電子體；
（3）①銅離子含有空軌道，水分子含有孤對(duì)電子對(duì)，銅離子與水分子之間形成配位鍵，銅離子配體數(shù)為4，1個(gè)H₂O含2個(gè)O-H鍵；②根據(jù)圖1水合鹽酸晶體H₅O₂⁺?Cl^-中H₅O₂⁺離子的結(jié)構(gòu)解答；
（4）暖冰為分子晶體，暖冰中水分子之間主要的作用力為氫鍵，電場(chǎng)作用下，水分子間更易制得“暖冰”；
（5）①以立方體中的水分子為研究對(duì)象，每個(gè)水分子形成4條氫鍵；每一條氫鍵連接2個(gè)水分子，故冰晶體中氫鍵數(shù)目為水分子數(shù)目的2倍；
②五角十二面體是由12個(gè)正五邊形所組成的正多面體，它共有20個(gè)頂點(diǎn)、30條棱、160條對(duì)角線；
③以立方體中的水分子為研究對(duì)象，每個(gè)水分子形成4條氫鍵，SiO₂空間連接方式與這種冰連接類似；
④設(shè)體心立方中晶胞的棱長(zhǎng)為X，O-H…O距離為A，則3A²=（2X）²，根據(jù)體心立方的密度ρ=

2m

NA×X3

計(jì)算；

解答： 解：（1）由于簡(jiǎn)并軌道（能級(jí)相同的軌道）中電子優(yōu)先單獨(dú)占據(jù)1個(gè)軌道，且自旋方向相同，原子的能量最低，O原子能量最低排布是；
同一周期內(nèi)主族元素的第一電離能從左到右在總體增大的趨勢(shì)中有些曲折．當(dāng)外圍電子在能量相等的軌道上形成全空、半滿或全滿結(jié)構(gòu)時(shí)，原子的能量較低，元素的第一電離能較大，由于N元素的2p能級(jí)3個(gè)軌道處于半滿，He元素的2P能級(jí)3個(gè)軌道處于全滿，所以它們的第一電離能大小順序是I₁（He）＞I₁（F）＞I₁（N）＞I₁（O）＞I₁（C）＞I₁（Be）＞I₁（B），
故答案為：；4；
（2）H₂O中價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)=2+

1

2

（6-2×1）=4，且含有2個(gè)孤電子對(duì)，所以H₂O的VSEPR模型為四面體，分子空間構(gòu)型為V型，中心原子雜化方式為sp³，H₃O⁺中O原子的質(zhì)子數(shù)為8，H原子的質(zhì)子數(shù)為1，所以H₃O⁺的質(zhì)子數(shù)為11，電子數(shù)=11-1=10，NH₃的原子數(shù)目為4，電子數(shù)目為10，則與H₃O⁺互為等電子體，結(jié)構(gòu)式為：，
故答案為：sp³；四面體形；；
（3）①Cu²⁺含有空軌道，H₂O含有孤對(duì)電子，可形成配位鍵，銅離子配體數(shù)為4，配離子[Cu（H₂O）₄]²⁺中1個(gè)Cu²⁺與4個(gè)H₂O形成配位鍵，1個(gè)H₂O含2個(gè)O-H鍵，所以1mol水合銅離子中含有σ鍵數(shù)目為12N_A，
故答案為：12N_A；
②根據(jù)圖1水合鹽酸晶體H₅O₂⁺?Cl^-中H₅O₂⁺離子的結(jié)構(gòu)知：a．氫離子含有空軌道，氧原子含有孤電子對(duì)，所以能形成配位鍵；b．O-H形成極性鍵；c．無(wú)非極性鍵；d．因H₅O₂⁺中無(wú)陰陽(yáng)離子，所以不存在離子鍵；
e．因H₅O₂⁺中無(wú)金屬所以不存在金屬鍵；f．氫鍵存在于不直接相連的H與電負(fù)性較大的O原子間； g．因H₅O₂⁺中無(wú)分子，所以不存在范德華力；h．因H₅O₂⁺中無(wú)雙鍵或三鍵，所以不存在π鍵；i．O-H形成σ鍵，
故答案為：a b f i；
（4）水分子之間主要通過(guò)氫鍵形成固體，水分子是極性分子，在電場(chǎng)作用下定向有規(guī)則的排列，水分子間更易形成氫鍵，
故答案為：水分子是極性分子，在電場(chǎng)作用下定向有規(guī)則的排列，分子間通過(guò)氫鍵結(jié)合而成固體；
（5）①晶體冰中，每?jī)蓚�(gè)水分子間有一個(gè)氫鍵，平均屬于每個(gè)水分子有半個(gè)，一個(gè)水分子與周圍的四個(gè)水分子以氫鍵結(jié)合，故1mol冰中有2 mol氫鍵，
故答案為：2；
②冰融化后，在液態(tài)水中，全部形成如圖3的五角十二面體，五角十二面體頂點(diǎn)數(shù)為20，每個(gè)水分子形成4條氫鍵，每?jī)蓚�(gè)水分子間有一個(gè)氫鍵，存在氫鍵總數(shù)目為40個(gè)，
每一條氫鍵連接2個(gè)水分子，在五角十二面體中有30條棱，所以氫鍵數(shù)為30，則該冰熔化過(guò)程中氫鍵被破壞的百分比為

40-30

40

×100%=25%，
故答案為：25%；
③二氧化硅是原子晶體，Si-O通過(guò)共價(jià)鍵形成四面體結(jié)構(gòu)，四面體之間通過(guò)共價(jià)鍵形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以立方體中的水分子為研究對(duì)象，每個(gè)水分子形成4條氫鍵，SiO₂空間連接方式與這種冰連接類似，
故答案為：SiO₂；
④體心立方晶胞中水分子個(gè)數(shù)=1+8×

1

8

=2；設(shè)體心立方中晶胞的棱長(zhǎng)為X，O-H…O距離為A，則3A²=（2X）²，體心立方的密度ρ=

2m

NA×X3

=

18×2

( 2×295×10-10 3 )3×6.02×1023

=1.51；
故答案為：

18×2

( 2×295×10-10 3 )3×6.02×1023

=1.51；

點(diǎn)評(píng)：本題考查較為綜合，涉及分子的立體構(gòu)型、晶胞的計(jì)算，氫鍵、分子結(jié)構(gòu)與雜化理論，題目難度中等，注意晶體類型的有關(guān)計(jì)算，需要全面掌握基礎(chǔ)知識(shí)，并能運(yùn)用分析解決問(wèn)題．