Question

14．Ⅰ．第28屆國(guó)際地質(zhì)大會(huì)提供的資料顯示，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他子．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分別為sp²和sp³
E．其中氧原子和碳原子的雜化方式均為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．A、B、C、D是短周期元素，它們的離子具有相同的電子層結(jié)構(gòu)，且半徑依次減小．A與D的化合物X既能與鹽酸反應(yīng)，又能與NaOH溶液反應(yīng)；B、C組成典型的離子化合物Y，其晶體結(jié)構(gòu)類似于NaCl晶體；A與C以原子個(gè)數(shù)之比1：1組成化合物Z．
（3）寫出Z的電子式；
（4）C元素焰色反應(yīng)的顏色為黃色；試從原子結(jié)構(gòu)的角度解釋其原因加熱的條件下鈉原子的核外電子吸收能量，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，電子處于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定又重新躍遷到基態(tài)，在此過(guò)程中以光波的形式釋放能量；
（5）B、C、D可組成離子化合物C_mDB_n，其晶體結(jié)構(gòu)單元如圖所示．陽(yáng)離子C^x+（o表示位于正方體的棱的中點(diǎn)和正方體內(nèi)部（內(nèi)部有9個(gè)o，1個(gè)位于體心，另8個(gè)位于大正方體被等分為8個(gè)小正方體后體心）；陰離子DBn^x-（•表示）位于該正方體的頂點(diǎn)和面心．則：x=1、m=3、n=6．已知該晶體的密度為ag/cm³，則該晶體中陽(yáng)離子間的最近距離為$\frac{\sqrt{3}}{4}$×$\root{3}{\frac{840}{a{N}_{A}}}$．

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．A、B、C、D是短周期元素，它們的離子具有相同的電子層結(jié)構(gòu)，且半徑依次減小，A與D的化合物X既能與鹽酸反應(yīng)，又能與NaOH溶液反應(yīng)，X是兩性氧化物Al₂O₃，A的離子半徑大于D，則A是O元素、D是Al元素；B、C組成典型的離子化合物Y，其晶體結(jié)構(gòu)類似于NaCl晶體，B的離子半徑小于氧離子B為非金屬元素、C為金屬元素，則B是F元素、C為Na元素；A與C以原子個(gè)數(shù)之比1：1組成化合物Z，則Z是Na₂O₂，據(jù)此解答．

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．A、B、C、D是短周期元素，它們的離子具有相同的電子層結(jié)構(gòu)，且半徑依次減小，A與D的化合物X既能與鹽酸反應(yīng)，又能與NaOH溶液反應(yīng)，X是兩性氧化物Al₂O₃，A的離子半徑大于D，則A是O元素、D是Al元素；B、C組成典型的離子化合物Y，其晶體結(jié)構(gòu)類似于NaCl晶體，B的離子半徑小于氧離子B為非金屬元素、C為金屬元素，則B是F元素、C為Na元素；A與C以原子個(gè)數(shù)之比1：1組成化合物Z，則Z是Na₂O₂．
（1）Z是過(guò)氧化鈉，過(guò)氧化鈉中鈉離子和過(guò)氧根離子之間存在離子鍵、O原子之間存在共價(jià)鍵，所以其電子式為，
故答案為：；
（2）C是Na元素，其焰色反應(yīng)為黃色，在加熱的條件下鈉原子的核外電子吸收能量，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，電子處于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定又重新躍遷到基態(tài)，在此過(guò)程中以光波的形式釋放能量，所以其焰色反應(yīng)呈黃色，
故答案為：黃色；在加熱的條件下鈉原子的核外電子吸收能量，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，電子處于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定又重新躍遷到基態(tài)，在此過(guò)程中以光波的形式釋放能量；
（3）C是Na元素，鈉離子帶一個(gè)單位正電荷，所以x=1，該晶胞中鈉離子個(gè)數(shù)=9+12×$\frac{1}{4}$=12、陰離子個(gè)數(shù)=6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=4，所以陽(yáng)離子、陰離子個(gè)數(shù)之比=12：4=3：1，所以m=3，根據(jù)化合價(jià)的代數(shù)和為0知，n=6，
大立方體體對(duì)角線上的鈉離子之間的距離最近，設(shè)晶體棱長(zhǎng)為xcm，則體對(duì)角線長(zhǎng)度為$\sqrt{3}$xcm，則鈉離子最近距離長(zhǎng)度為$\frac{\sqrt{3}}{4}$xcm，該晶體的密度為a g/cm³，該晶體為Na₃AlF₆，晶胞質(zhì)量為4×$\frac{23×3+17+19×6}{{N}_{A}}$g，則晶胞體積V=4×$\frac{23×3+17+19×6}{{N}_{A}}$g÷a g/cm³=$\frac{840}{a{N}_{A}}$cm³，故晶胞棱長(zhǎng)=$\root{3}{\frac{840}{a{N}_{A}}}$，故鈉離子最近距離長(zhǎng)度為$\frac{\sqrt{3}}{4}$×$\root{3}{\frac{840}{a{N}_{A}}}$，
故答案為：1；3；6；$\frac{\sqrt{3}}{4}$×$\root{3}{\frac{840}{a{N}_{A}}}$．

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)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(yáng)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．