Question

15．如圖的分子結構模型A（相對分子質量為M）是由4種半徑依次增大的短周期元素X、Y、Z、M構成，該物質溶于水顯強酸性．請回答下列問題．
（1）M的基態(tài)電子排布式是1s²2s²2p⁶3s²3p⁴
（2）A分子中，Z原子、M原子采用的雜化軌道方式分別是sp²、sp³
（3）A作為油田酸化注水井的酸、與同濃度的鹽酸相比，同碳酸鈣反應慢，而且濃度愈大，反應速度愈慢，請從結構上予以解釋苯磺酸中苯基為憎水基團，水溶性差，影響氫離子電離，苯磺酸通過范德華力結合，而苯磺酸根體積大，質量大，范德華力強，比氯離子移動慢
（4）電極材料碳納米管B的結構見如圖，其比乙塊黑電極在電池中更優(yōu)越，主要原因是碳納米管的結構規(guī)范整齊，電子流動有序性高，電阻小、磺酸基極性強，能與水形成氫鍵，電解質交互性好．
（5）A晶體結構為面心立方，晶胞邊長是apm，則其密度為（列式表示）$\frac{4M}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$g/cm³．

Answer 1

分析 圖中分子結構模型A（相對分子質量為M）是由4種半徑依次增大的短周期元素X、Y、Z、M構成，該物質溶于水顯強酸性，由結構可知A為苯磺酸，X為H、Y為C、Z為O、M為S．
（1）S元素原子核外有16個電子，結構構造原理書寫；
（2）分子中氧元素表現-2價，結合結構判斷原子形成σ鍵數目、孤電子對數，確定氧原子雜化軌道；
S原子與碳原子、羥基中氧原子形成1對共用電子對，與非羥基O形成2對共用電子對，進而確定其雜化軌道；
（3）苯磺酸中苯基為憎水基團，水溶性差，影響氫離子電離，苯磺酸通過范德華力結合，而苯磺酸根體積大，質量大，范德華力強，比氯離子移動慢；
（4）碳納米管的結構規(guī)范整齊，電子流動有序性高，電阻小，磺酸基極性強，能與水形成氫鍵，電解質交互性好；
（5）A晶體結構為面心立方，苯磺酸處于頂點與面心位置，根據均攤法計算晶胞中苯磺酸分子數目，進而計算晶胞的質量，根據晶胞邊長是apm計算晶胞體積，再根據ρ=$\frac{m}{V}$計算其密度．

解答 解：圖中分子結構模型A（相對分子質量為M）是由4種半徑依次增大的短周期元素X、Y、Z、M構成，該物質溶于水顯強酸性，由結構可知A為苯磺酸，X為H、Y為C、Z為O、M為S．
（1）S元素原子核外有16個電子，基態(tài)電子排布式是：1s²2s²2p⁶3s²3p⁴，
故答案為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁴；
（2）分子中氧元素表現-2價，羥基中O原子價層電子對數=2+$\frac{6-1×2}{2}$=3，非羥基氧原子價層電子對數=1+$\frac{6-2}{2}$=3，含有1對孤電子對，故采取sp²雜化；S原子形成4個σ鍵數，價層電子對數為4+$\frac{6-1-1-2×2}{2}$=4，故S原子采取sp³雜化，
故答案為：sp²；sp³；
（3）苯磺酸中苯基為憎水基團，水溶性差，影響氫離子電離，苯磺酸通過范德華力結合，而苯磺酸根體積大，質量大，范德華力強，比氯離子移動慢，故與同濃度的鹽酸相比，同碳酸鈣反應慢，而且濃度愈大，反應速度愈慢，
故答案為：苯磺酸中苯基為憎水基團，水溶性差，影響氫離子電離，苯磺酸通過范德華力結合，而苯磺酸根體積大，質量大，范德華力強，比氯離子移動慢；
（4）碳納米管的結構規(guī)范整齊，電子流動有序性高，電阻小，磺酸基極性強，能與水形成氫鍵，電解質交互性好，其比乙塊黑電極在電池中更優(yōu)越，
故答案為：碳納米管的結構規(guī)范整齊，電子流動有序性高，電阻�。换撬峄鶚O性強，能與水形成氫鍵，電解質交互性好；
（5）A晶體結構為面心立方，苯磺酸處于頂點與面心位置，晶胞中苯磺酸分子數目為8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，則晶胞的質量為4×$\frac{M}{{N}_{A}}$g，晶胞邊長是a pm，則晶胞體積為（a×10^-10 cm）³，則其密度為4×$\frac{M}{{N}_{A}}$g÷（a×10^-10 cm）³=$\frac{4M}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$g/cm³，
故答案為：$\frac{4M}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$．

點評 本題是對物質結構的考查，涉及核外電子排布、雜化軌道、晶胞計算、分子結構與性質等，根據結構簡式判斷A物質及元素是解題關鍵，苯磺酸在中學中基本沒有涉及，（3）（4）為難點，難度較大．