Question

水是地球表面上普遍存在的化合物，我們可以用我們學習的物質結構與性質的有關知識去認識它．
（1）水的組成元素為氫和氧．氧的基態(tài)原子的價電子排布圖為

 

，氧的第一電離能在同周期元素中由大到小排第

 

位．
（2）根據雜化軌道理論，水分子中的氧原子采取的雜化形式是

 

；根據價層電子對互斥理論，水分子的VSEPR模型名稱為

 

；根據等電子體原理，寫出水合氫離子的一個等電子體（寫結構式）

 

．
（3）水分子可以形成許多水合物．
①水分子可以作配體和銅離子形成水合銅離子[Cu（H₂O）₄]²⁺，1mol水合銅離子中含有σ鍵數目為

 

．
②圖1是水合鹽酸晶體H₅O₂⁺?Cl^-中H₅O₂⁺離子的結構．

在該離子中，存在的作用力有

 

．
a．配位鍵   b．極性鍵   c．非極性鍵   d．離子鍵
e．金屬鍵   f．氫鍵    g．范德華力    h．π鍵   i．σ鍵
（4）韓國首爾大學科學家將水置于一個足夠強的電場中，在20℃時，水分子瞬間凝固形成了“暖冰”．請從結構上解釋生成暖冰的原因

 

．
（5）最新研究發(fā)現，水能凝結成13種類型的結晶體，除普通冰以外其余各自的冰都有自己奇特的性質：有在-30℃才凝固的超低溫冰，它的堅硬程度可和鋼相媲美，能抵擋炮彈轟擊；有在180℃高溫下依然不變的熱冰；還有的冰密度比水大，號稱重冰．圖2為冰的一種骨架形式，依此為單位向空間延伸．
①該冰中的每個水分子有

 

個氫鍵；
②冰融化后，在液態(tài)水中，水分子之間仍保留有大量氫鍵將水分子聯系在一起，分子間除了無規(guī)則的分布及冰結構碎片以外，一般認為還會有大量呈動態(tài)平衡的、不完整的多面體的連接方式．右圖的五角十二面體是冰熔化形成的理想多面體結構．假設圖3中的冰熔化后的液態(tài)水全部形成如圖3的五角十二面體，且該多面體之間無氫鍵，則該冰熔化過程中氫鍵被破壞的百分比為

 

．
③如果不考慮晶體和鍵的類型，哪一物質的空間連接方式與這種冰連接類似？

 

；
④已知O-H…O距離為295pm，列式計算此種冰晶體的密度

 

g/cm³．（已知295²=8.70×10⁴，295³=2.57×10⁷，

2

=1.41，

3

=1.73）

Answer 1

考點：晶胞的計算,原子核外電子排布,元素電離能、電負性的含義及應用,化學鍵,“等電子原理”的應用,原子軌道雜化方式及雜化類型判斷,氫鍵的存在對物質性質的影響

專題：原子組成與結構專題,化學鍵與晶體結構

分析：（1）根據原子核外電子排布原則：電子優(yōu)先單獨占據1個軌道，且自旋方向相同是，能量最低，根據此原則，O原子核外有8個電子；同一周期元素中，元素的第一電離能隨著原子序數的增大而呈增大趨勢，但第IIA族、第VA族元素的第一電離能大于相鄰元素；
（2）根據雜化軌道數判斷雜化類型，雜化軌道數=σ鍵數+孤對電子對數，據此判斷雜質類型，確定分子的空間構型；根據原子數目和電子數目來分析等電子體；
（3）①銅離子含有空軌道，水分子含有孤對電子對，銅離子與水分子之間形成配位鍵，銅離子配體數為4，1個H₂O含2個O-H鍵；②根據圖1水合鹽酸晶體H₅O₂⁺?Cl^-中H₅O₂⁺離子的結構解答；
（4）暖冰為分子晶體，暖冰中水分子之間主要的作用力為氫鍵，電場作用下，水分子間更易制得“暖冰”；
（5）①以立方體中的水分子為研究對象，每個水分子形成4條氫鍵；每一條氫鍵連接2個水分子，故冰晶體中氫鍵數目為水分子數目的2倍；
②五角十二面體是由12個正五邊形所組成的正多面體，它共有20個頂點、30條棱、160條對角線；
③以立方體中的水分子為研究對象，每個水分子形成4條氫鍵，SiO₂空間連接方式與這種冰連接類似；
④設體心立方中晶胞的棱長為X，O-H…O距離為A，則3A²=（2X）²，根據體心立方的密度ρ=

2m

NA×X3

計算；

解答： 解：（1）由于簡并軌道（能級相同的軌道）中電子優(yōu)先單獨占據1個軌道，且自旋方向相同，原子的能量最低，O原子能量最低排布是；
同一周期內主族元素的第一電離能從左到右在總體增大的趨勢中有些曲折．當外圍電子在能量相等的軌道上形成全空、半滿或全滿結構時，原子的能量較低，元素的第一電離能較大，由于N元素的2p能級3個軌道處于半滿，He元素的2P能級3個軌道處于全滿，所以它們的第一電離能大小順序是I₁（He）＞I₁（F）＞I₁（N）＞I₁（O）＞I₁（C）＞I₁（Be）＞I₁（B），
故答案為：；4；
（2）H₂O中價層電子對個數=2+

1

2

（6-2×1）=4，且含有2個孤電子對，所以H₂O的VSEPR模型為四面體，分子空間構型為V型，中心原子雜化方式為sp³，H₃O⁺中O原子的質子數為8，H原子的質子數為1，所以H₃O⁺的質子數為11，電子數=11-1=10，NH₃的原子數目為4，電子數目為10，則與H₃O⁺互為等電子體，結構式為：，
故答案為：sp³；四面體形；；
（3）①Cu²⁺含有空軌道，H₂O含有孤對電子，可形成配位鍵，銅離子配體數為4，配離子[Cu（H₂O）₄]²⁺中1個Cu²⁺與4個H₂O形成配位鍵，1個H₂O含2個O-H鍵，所以1mol水合銅離子中含有σ鍵數目為12N_A，
故答案為：12N_A；
②根據圖1水合鹽酸晶體H₅O₂⁺?Cl^-中H₅O₂⁺離子的結構知：a．氫離子含有空軌道，氧原子含有孤電子對，所以能形成配位鍵；b．O-H形成極性鍵；c．無非極性鍵；d．因H₅O₂⁺中無陰陽離子，所以不存在離子鍵；
e．因H₅O₂⁺中無金屬所以不存在金屬鍵；f．氫鍵存在于不直接相連的H與電負性較大的O原子間； g．因H₅O₂⁺中無分子，所以不存在范德華力；h．因H₅O₂⁺中無雙鍵或三鍵，所以不存在π鍵；i．O-H形成σ鍵，
故答案為：a b f i；
（4）水分子之間主要通過氫鍵形成固體，水分子是極性分子，在電場作用下定向有規(guī)則的排列，水分子間更易形成氫鍵，
故答案為：水分子是極性分子，在電場作用下定向有規(guī)則的排列，分子間通過氫鍵結合而成固體；
（5）①晶體冰中，每兩個水分子間有一個氫鍵，平均屬于每個水分子有半個，一個水分子與周圍的四個水分子以氫鍵結合，故1mol冰中有2 mol氫鍵，
故答案為：2；
②冰融化后，在液態(tài)水中，全部形成如圖3的五角十二面體，五角十二面體頂點數為20，每個水分子形成4條氫鍵，每兩個水分子間有一個氫鍵，存在氫鍵總數目為40個，
每一條氫鍵連接2個水分子，在五角十二面體中有30條棱，所以氫鍵數為30，則該冰熔化過程中氫鍵被破壞的百分比為

40-30

40

×100%=25%，
故答案為：25%；
③二氧化硅是原子晶體，Si-O通過共價鍵形成四面體結構，四面體之間通過共價鍵形成空間網狀結構，以立方體中的水分子為研究對象，每個水分子形成4條氫鍵，SiO₂空間連接方式與這種冰連接類似，
故答案為：SiO₂；
④體心立方晶胞中水分子個數=1+8×

1

8

=2；設體心立方中晶胞的棱長為X，O-H…O距離為A，則3A²=（2X）²，體心立方的密度ρ=

2m

NA×X3

=

18×2

( 2×295×10-10 3 )3×6.02×1023

=1.51；
故答案為：

18×2

( 2×295×10-10 3 )3×6.02×1023

=1.51；

點評：本題考查較為綜合，涉及分子的立體構型、晶胞的計算，氫鍵、分子結構與雜化理論，題目難度中等，注意晶體類型的有關計算，需要全面掌握基礎知識，并能運用分析解決問題．