Question

14．Ⅰ．第28屆國際地質大會提供的資料顯示，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個水分子構建成8個籠，每個籠可容納1個CH₄分子或1個游離H₂O他子．根據(jù)上述信息，完成下面兩題：
（1）下列關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個籠只有6個容納了CH₄分子，另外2個籠被游離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構，且半徑依次減小．A與D的化合物X既能與鹽酸反應，又能與NaOH溶液反應；B、C組成典型的離子化合物Y，其晶體結構類似于NaCl晶體；A與C以原子個數(shù)之比1：1組成化合物Z．
（3）寫出Z的電子式；
（4）C元素焰色反應的顏色為黃色；試從原子結構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，其晶體結構單元如圖所示．陽離子C^x+（o表示位于正方體的棱的中點和正方體內部（內部有9個o，1個位于體心，另8個位于大正方體被等分為8個小正方體后體心）；陰離子DBn^x-（•表示）位于該正方體的頂點和面心．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）分子結構不對稱，正負電荷的中心不重合的分子為極性分子，而結構對稱且正負電荷的中心重合的分子為非極性分子，根據(jù)價層電子對數(shù)判斷雜化方式；
（2）每8個籠由46個H₂O分子構成框架，其中容納6個CH₄分子和2個H₂O分子，可判斷每8個籠共48個H₂O分子和6個CH₄分子，據(jù)此推斷可表示可燃冰的平均組成的化學式；
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構，且半徑依次減小，A與D的化合物X既能與鹽酸反應，又能與NaOH溶液反應，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，其晶體結構類似于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）水分子的空間構型為V型結構，正負電荷的中心不重合，屬于極性分子；
甲烷的空間構型為正四面體，結構對稱，正負電荷的中心重合，屬于非極性分子；
水分子中中心原子O的價層電子對數(shù)=2+$\frac{6-1×2}{2}$=4，故氧原子為sp³雜化；
甲烷中中心原子C價層電子對數(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個籠只有6個容納了CH₄分子，另外2個籠被游離H₂O分子填充，因此6個籠中有6個甲烷分子，水分子46+2=48，共48個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構，且半徑依次減小，A與D的化合物X既能與鹽酸反應，又能與NaOH溶液反應，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，其晶體結構類似于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以原子個數(shù)之比1：1組成化合物Z，則Z是Na₂O₂．
（1）Z是過氧化鈉，過氧化鈉中鈉離子和過氧根離子之間存在離子鍵、O原子之間存在共價鍵，所以其電子式為，
故答案為：；
（2）C是Na元素，其焰色反應為黃色，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)，在此過程中以光波的形式釋放能量，所以其焰色反應呈黃色，
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)，在此過程中以光波的形式釋放能量；
（3）C是Na元素，鈉離子帶一個單位正電荷，所以x=1，該晶胞中鈉離子個數(shù)=9+12×$\frac{1}{4}$=12、陰離子個數(shù)=6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=4，所以陽離子、陰離子個數(shù)之比=12：4=3：1，所以m=3，根據(jù)化合價的代數(shù)和為0知，n=6，
大立方體體對角線上的鈉離子之間的距離最近，設晶體棱長為xcm，則體對角線長度為$\sqrt{3}$xcm，則鈉離子最近距離長度為$\frac{\sqrt{3}}{4}$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=$\root{3}{\frac{840}{a{N}_{A}}}$，故鈉離子最近距離長度為$\frac{\sqrt{3}}{4}$×$\root{3}{\frac{840}{a{N}_{A}}}$，
故答案為：1；3；6；$\frac{\sqrt{3}}{4}$×$\root{3}{\frac{840}{a{N}_{A}}}$．

點評 本題是對物質結構的考查，涉及分子極性、雜化軌道、晶胞計算、基態(tài)與激發(fā)態(tài)等知識點，難點是晶胞計算，關鍵是明確距離最近兩個陽離子，需要學生具有一定的空間想象與數(shù)學計算能力，題目難度中等．