Question

【題目】2017年5月海底天然氣水合物(俗稱“可燃冰”)試采成功，這是我國能源開發(fā)的一次歷史性突破。一定條件下，CH4和CO2都能與H2O形成如下圖所示的籠狀結(jié)構(gòu)(表面的小球是水分子，內(nèi)部的大球是CH4分子或CO2分子；“可燃冰”是CH4與H2O形成的水合物)，其相關(guān)參數(shù)見下表。

(1)CH4和CO2所含的三種元素電負(fù)性從大到小的順序為_______；碳原子的最高能級的符號是_______，其電子云形狀是_______。

(2)CO2分子中碳原子的雜化軌道類型為_______，分子的立體構(gòu)型為_____。CO2與SO2相同條件下在水中的溶解度較大的是SO2，理由是________。

(3)為開采海底的“可燃冰”，有科學(xué)家提出用CO2置換CH4的設(shè)想。已知上圖中籠狀結(jié)構(gòu)的空腔直徑為0.586nm，根據(jù)上述圖表，從物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的角度分析，該設(shè)想的依據(jù)是_______。

(4)“可燃冰”中分子間存在的作用力是氫鍵和_________，上圖中最小的環(huán)中連接的原子總數(shù)是_______。

(5)水在不同的溫度和壓力條件下可形成11種不同結(jié)構(gòu)的晶體，密度從比水輕的0.92g/cm3到約為水的1.5 倍。冰是人們迄今已知的由一種簡單分子堆積出結(jié)構(gòu)花樣最多的化合物。其中冰- Ⅶ的晶體結(jié)構(gòu)為一個如圖所示的立方晶胞，每個水分子與周圍4個水分子以氫鍵結(jié)合。設(shè)O-H…O距離為apm，阿伏加德羅常數(shù)的值為NA，則該冰- Ⅶ晶體的密度為____ g/cm3(列出計算式即可)。

Answer 1

【答案】 O＞C＞H 2p 啞鈴形 sp 直線型 SO2為極性分子，CO2為非極性分子，H2O為極性溶劑，極性分子易溶于極性溶劑，故SO2的溶解度較大 CO2的分子直徑小于籠狀空腔直徑，且與H2O的結(jié)合力大于CH4 范德華力 10

【解析】（1）一般來說，元素的非金屬性越強，電負(fù)性越強，所以順序為：O＞C＞H。碳為第6號元素，原子核外有6個電子，其最高能級為2p。p電子云的形狀是啞鈴形。

（2）根據(jù)價層電子對互斥理論，CO2的中心原子C的價電子對為2+（4-2×2）=2對，所以CO2的空間構(gòu)型為直線型，C的雜化類型為sp雜化。CO2為直線型分子，所以是非極性分子，而SO2為折線形，所以是極性分子，根據(jù)相似相溶的原理，SO2在極性溶劑（水）中的溶解度更大。

（3）已知上圖中籠狀結(jié)構(gòu)的空腔直徑為0.586nm，根據(jù)上述圖表，得到CO2分子的直徑小于空腔直徑，可以嵌入籠狀結(jié)構(gòu)中，同時二氧化碳與水分子的結(jié)合能高于甲烷，說明二氧化碳更易于與水結(jié)合，有可能將已經(jīng)嵌入籠中的甲烷置換出來。

（4）分子之間存在的力除氫鍵以外，只可能是范德華力。圖中最小的環(huán)是由5個水分子通過氫鍵構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)為，其中虛線代表氫鍵，實線代表共價鍵，所以最小的環(huán)中連接的原子為10個。

（5）該晶胞中含有的水分子為：8× + 1×1=2個，所以晶胞的質(zhì)量為2×18÷NA= g。從圖中得到O-H…O距離為該立方體晶胞的體對角線長度的一半，所以得到該晶胞的邊長為，所以密度為 g/cm3。