PAGEPAGE1第6課時應用層面——“物質結構與性質”綜合題型分析[題型分析]物質結構與性質綜合大題是高考命題的重要題型之一，試題把原子、分子結構與性質、晶體結構與性質等學問拼盤成一個大題，設置若干個問題，每個問題又相對獨立。題目主要考查電子排布式、電負性和第一電離能大小比較、共價鍵分類及數目推斷、雜化軌道類型、分子的空間構型、等電子體、分子極性的推斷、晶體類型的推斷及熔、沸點凹凸的比較等。難點是依據晶胞結構推斷物質的化學式、晶體的密度、原子半徑和空間利用率的計算等。題目的考查方式敏捷，一般有兩種命題方式：一是題目給出物質或元素，干脆回答題設問題；二是給出肯定原子結構與性質的信息來推出元素，再結合推出的元素回答相關問題。[難點點撥]晶胞參數的計算方法1．晶胞參數(1)晶胞的形態和大小可以用6個參數來表示，包括晶胞的3組棱長a、b、c和3組棱相互間的夾角α、β、γ，此即晶格特征參數，簡稱晶胞參數。如立方晶胞中，晶胞參數a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°。(2)晶胞參數的計算2．晶體密度的計算方法3．金屬晶體空間利用率的計算方法空間利用率＝eq\f(球體積,晶胞體積)×100%，球體積為金屬原子的總體積。(1)簡潔立方積累如圖所示，原子的半徑為r，立方體的棱長為2r，則V球＝eq\f(4,3)πr3，V晶胞＝(2r)3＝8r3，空間利用率＝eq\f(V球,V晶胞)×100%＝eq\f(\f(4,3)πr3,8r3)×100%≈52%。(2)體心立方積累如圖所示，原子的半徑為r，體對角線c為4r，面對角線b為eq\r(2)a，由(4r)2＝a2＋b2得a＝eq\f(4,\r(3))r。1個晶胞中有2個原子，故空間利用率＝eq\f(V球,V晶胞)×100%＝eq\f(2×\f(4,3)πr3,a3)×100%＝eq\f(2×\f(4,3)πr3,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4,\r(3))r))3)×100%≈68%。(3)六方最密積累如圖所示，原子的半徑為r，底面為菱形(棱長為2r，其中一個角為60°)，則底面面積S＝2r×eq\r(3)r＝2eq\r(3)r2，h＝eq\f(2\r(6),3)r，V晶胞＝S×2h＝2eq\r(3)r2×2×eq\f(2\r(6),3)r＝8eq\r(2)r3,1個晶胞中有2個原子，則空間利用率＝eq\f(V球,V晶胞)×100%＝eq\f(2×\f(4,3)πr3,8\r(2)r3)×100%≈74%。(4)面心立方最密積累如圖所示，原子的半徑為r，面對角線為4r，a＝2eq\r(2)r，V晶胞＝a3＝(2eq\r(2)r)3＝16eq\r(2)r3,1個晶胞中有4個原子，則空間利用率＝eq\f(V球,V晶胞)×100%＝eq\f(4×\f(4,3)πr3,16\r(2)r3)×100%≈74%。[典例剖析][典例](2024·全國卷Ⅰ)Li是最輕的固體金屬，采納Li作為負極材料的電池具有小而輕、能量密度大等優良性能，得到廣泛應用。回答下列問題：(1)下列Li原子電子排布圖表示的狀態中，能量最低和最高的分別為________、________(填標號)。(2)Li＋與H－具有相同的電子構型，r(Li＋)小于r(H－)，緣由是_____________________。(3)LiAlH4是有機合成中常用的還原劑，LiAlH4中的陰離子空間構型是________、中心原子的雜化形式為________。LiAlH4中，存在________(填標號)。A．離子鍵 B．σ鍵C．π鍵 D．氫鍵(4)Li2O是離子晶體，其晶格能可通過圖(a)的Born-Haber循環計算得到。可知，Li原子的第一電離能為________kJ·mol－1，O=O鍵鍵能為______kJ·mol－1，Li2O晶格能為______kJ·mol－1。(5)Li2O具有反螢石結構，晶胞如圖(b)所示。已知晶胞參數為0.4665nm，阿伏加德羅常數的值為NA，則Li2O的密度為____________g·cm－3(列出計算式)。[解析](1)D選項表示基態，為能量最低狀態；A、B、C選項均表示激發態，但C選項被激發的電子處于高能級的電子數多，為能量最高狀態。(2)Li＋與H－具有相同的電子構型，Li的核電荷數大于H的核電荷數，因此Li的原子核對電子的吸引實力強，即Li＋半徑小于H－半徑。(3)LiAlH4的陰離子為AlHeq\o\al(－,4)，AlHeq\o\al(－,4)中Al的雜化軌道數為eq\f(4＋3＋1,2)＝4，Al實行sp3雜化，為正四面體構型。LiAlH4是離子化合物，存在離子鍵，H和Al間形成的是共價單鍵，為σ鍵。(4)由題給信息可知，2molLi(g)變為2molLi＋(g)汲取1040kJ熱量，因此Li原子的第一電離能為520kJ·mol－1；0.5mol氧氣生成1mol氧原子汲取249kJ熱量，因此O=O鍵的鍵能為498kJ·mol－1；Li2O的晶格能為2908kJ·mol－1。(5)由題給圖示可知，Li位于晶胞內部，O位于頂點和面心，因此一個晶胞有8個Li，O原子個數＝6×eq\f(1,2)＋8×eq\f(1,8)＝4。因此一個Li2O晶胞的質量＝eq\f(8×7＋4×16,NA)g，一個晶胞的體積為(0.4665×10－7)3cm3，即該晶體密度＝eq\f(8×7＋4×16,NA(0.4665×10－7)3)g·cm－3。[答案](1)DC(2)Li＋核電荷數較大(3)正四面體sp3AB(4)5204982908(5)eq\f(8×7＋4×16,NA(0.4665×10－7)3)[對點練1]2024年3月5日，《自然》連刊兩文報道石墨烯超導重大發覺，第一作者均為中國科大10級少年班現年僅22歲的曹原。曹原團隊在雙層石墨烯中發覺新的電子態，可以簡潔實現絕緣體到超導體的轉變。石墨烯是一種由碳原子組成六角形呈蜂巢晶格的二維碳納米材料(如圖甲)，石墨烯中部分碳原子被氧化后，其平面結構會發生變更，轉化為氧化石墨烯(如圖乙)。(1)圖甲中，1號C與相鄰C形成σ鍵的個數為________。(2)圖乙中，1號C的雜化方式是__________，該C與相鄰C形成的鍵角________(填“>”“<”或“＝”)圖甲中1號C與相鄰C形成的鍵角。(3)我國制墨工藝是將50nm左右的石墨烯或氧化石墨烯溶于水，在相同條件下所得到的分散系后者更為穩定，其緣由是___________________________________________________________________________________________________________________。(4)石墨烯可轉化為富勒烯(C60)，某金屬M與C60可制備一種低溫超導材料，晶胞如圖丙所示，M原子位于晶胞的棱心與內部。該晶胞中M原子的個數為________，該材料的化學式為________。(5)金剛石與石墨都是碳的同素異形體。若碳原子半徑為r，金剛石晶胞的邊長為a，依據硬球接觸模型，金剛石晶胞中碳原子的空間占有率為________。(6)肯定條件下，CH4、CO2都能與H2O形成籠狀結構(如圖丁所示)的水合物晶體，其相關參數見下表。CH4與H2O形成的水合物晶體俗稱“可燃冰”。①“可燃冰”中分子間存在的2種作用力是______________________________________________________________________________________________________。②為開采深海海底的“可燃冰”，有科學家提出用CO2置換CH4的設想。已知圖丁中籠狀結構的空腔直徑為0.586nm，結合圖表從物質結構及性質的角度分析，該設想的依據是：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。參數分子分子直徑/nm分子與H2O的結合能E/(kJ·mol－1)CH40.43616.40CO20.51229.91解析：(1)題圖甲中，1號C與相鄰3個碳原子成鍵，σ鍵的個數為3。(2)題圖乙中，1號C與3個C、1個—OH成鍵，無孤電子對，雜化軌道數為4，雜化方式為sp3。題圖乙中1號C與相鄰C形成的鍵角約為109°28′，而題圖甲中1號C為sp2雜化，1號C與相鄰C形成的鍵角為120°，故題圖乙中1號C與相鄰C形成的鍵角<題圖甲中1號C與相鄰C形成的鍵角。(3)氧化石墨烯中含有羥基、羧基，能與水形成氫鍵，因此氧化石墨烯溶于水得到的分散系更穩定。(4)該晶胞中，12個M在晶胞的棱心，9個M在晶胞內部，M的個數為12×eq\f(1,4)＋9＝12，而6個C60在晶胞面心，8個C60在晶胞的頂點，C60的個數為6×eq\f(1,2)＋8×eq\f(1,8)＝4，M和C60的個數比為12∶4＝3∶1，故該材料的化學式為M3C60。(5)金剛石的晶胞結構中碳原子位于立方體的頂點(8個)、面心(6個)及內部(4個)，將立方體切割成8個小立方體，在其中4個互不相鄰的小立方體體心各有1個碳原子。依據硬球接觸模型，立方體體對角線長度的eq\f(1,4)就是C—C鍵的鍵長，晶胞立方體體對角線長度為eq\r(3)a，所以eq\f(1,4)×eq\r(3)a＝2r，所以r＝eq\f(\r(3),8)a。碳原子數為8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＋4＝8，晶胞的體積為a3，碳原子的體積為8×eq\f(4,3)πr3，空間占有率為eq\f(8×\f(4,3)πr3,a3)×100%＝eq\f(\r(3)π,16)×100%＝34%。(6)①可燃冰為甲烷的水合物，甲烷和甲烷間、甲烷和水分子間為范德華力，水分子間為氫鍵。②依據題表中供應的數據可知，CO2的分子直徑小于籠狀結構的空腔直徑，且CO2與H2O的結合能大于CH4與H2O的結合能，因此科學家提出用CO2置換CH4的設想。答案：(1)3(2)sp3＜(3)氧化石墨烯可與水形成氫鍵，更穩定(4)12M3C60(5)eq\f(\r(3)π,16)×100%(或34%)(6)①氫鍵、范德華力②CO2的分子直徑小于籠狀結構的空腔直徑，且CO2與水的結合能大于CH4與水的結合能[對點練2]元素X、Y、Z為前四周期元素，X的基態原子核外電子有21種運動狀態，元素Y的原子最外層電子數是其內層的3倍，Z與X、Y不在同一周期，且Z原子核外p電子比s電子多5個。(1)X基態原子的核外電子排布式為________________。(2)X是石油化工中重要的催化劑之一，如催化異丙苯()裂化生成苯和丙烯。①1mol苯分子中含有σ鍵的數目為________mol。②異丙苯分子中碳原子軌道的雜化類型為________。(3)與Y3分子互為等電子體的陽離子為________。(4)XZ3易溶于水，熔點為960℃，熔融狀態下能夠導電，據此可推斷XZ3晶體屬于________(填晶體類型)。(5)元素Ce與X同族，其與Y形成的化合物晶體的晶胞結構如圖所示，該化合物的化學式為________________。解析：(1)X核外有21個電子，X為Sc元素，故X的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d14s2或[Ar]3d14s2。(2)①苯分子中，C—H鍵為σ鍵，苯環上的C—C鍵也為σ鍵，故含有12molσ鍵。②異丙苯分子中苯環上的碳原子實行sp2雜化，其余C原子采納sp