Question

9．水是地球表面上普遍存在的化合物，我們可以用我們學(xué)習(xí)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的有關(guān)知識(shí)去認(rèn)識(shí)它．
（1）水的組成元素為氫和氧．氧的基態(tài)原子的價(jià)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4位．
（2）根據(jù)雜化軌道理論，水分子中的氧原子采取的雜化形式是sp³；根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論，水分子的VSEPR模型名稱為四面體；根據(jù)等電子體原理，寫出水合氫離子的一個(gè)等電子體（寫結(jié)構(gòu)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(shù)目為12N_A．
②圖1是水合鹽酸晶體H₅O₂⁺•Cl^-中H₅O₂⁺離子的結(jié)構(gòu)．

在該離子中，存在的作用力有a b f i．
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(guó)首爾大學(xué)科學(xué)家將水置于一個(gè)足夠強(qiáng)的電場(chǎng)中，在20℃時(shí)，水分子瞬間凝固形成了“暖冰”．請(qǐng)從結(jié)構(gòu)上解釋生成暖冰的原因水分子是極性分子，在電場(chǎng)作用下定向有規(guī)則的排列，分子間通過氫鍵結(jié)合而成固體．
（5）最新研究發(fā)現(xiàn)，水能凝結(jié)成13種類型的結(jié)晶體，除普通冰以外其余各自的冰都有自己奇特的性質(zhì)：有在-30℃才凝固的超低溫冰，它的堅(jiān)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(hào)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(gè)水分子有2個(gè)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(lián)系在一起，分子間除了無規(guī)則的分布及冰結(jié)構(gòu)碎片以外，一般認(rèn)為還會(huì)有大量呈動(dòng)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(jié)構(gòu)．假設(shè)圖2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25%．
③如果不考慮晶體和鍵的類型，哪一物質(zhì)的空間連接方式與這種冰連接類似？SiO₂；
④已知O-H…O距離為295pm，列式計(jì)算此種冰晶體的密度$\frac{18×2}{（\frac{2×295×1{0}^{-10}}{\sqrt{3}}）×6.02×1{0}^{23}}$=1.51g/cm³．
（已知295²=8.70×10⁴，295³=2.57×10⁷，$\sqrt{2}$=1.41，$\sqrt{3}$=1.73）

Answer 1

分析 （1）O原子價(jià)電子排布式為2s²2p⁴，結(jié)合泡利原理、洪特規(guī)則畫出價(jià)電子排布圖；
同周期中稀有氣體的電離能最大，其它元素中，元素的第一電離能隨著原子序數(shù)的增大而呈增大趨勢(shì)，但第IIA族、第VA族元素的第一電離能大于相鄰元素；
（2）根據(jù)雜化軌道數(shù)判斷雜化類型，雜化軌道數(shù)=σ鍵數(shù)+孤對(duì)電子對(duì)數(shù)；計(jì)算O原子價(jià)層電子對(duì)數(shù)，確定水分子VSEPR模型；原子總數(shù)相等、價(jià)電子總數(shù)也相等的微�；�為等電子體；
（3）①銅離子含有空軌道，水分子含有孤對(duì)電子對(duì)，銅離子與水分子之間形成配位鍵，銅離子配體數(shù)為4，1個(gè)H₂O含2個(gè)O-H鍵，則[Cu（H₂O）₄]²⁺含有12個(gè)σ鍵；
②氫離子含有空軌道，氧原子含有孤電子對(duì)，能形成配位鍵，O-H為極性鍵，單鍵屬于σ鍵，O原子與H原子之間會(huì)形成氫鍵；
（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(chǎng)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(duì)象，每個(gè)水分子形成4條氫鍵；每一條氫鍵連接2個(gè)水分子，故冰晶體中氫鍵數(shù)目為水分子數(shù)目的2倍；
②冰融化為液態(tài)水時(shí)，水分子數(shù)目不變，利用均攤法計(jì)算圖2、圖3中每個(gè)水分子形成氫鍵，減少的氫鍵即為破壞氫鍵；
③以立方體中的水分子為研究對(duì)象，每個(gè)水分子與周圍4個(gè)水分子形成4個(gè)氫鍵，為正四面體構(gòu)型，SiO₂空間連接方式與這種冰連接類似；
④設(shè)體心立方中晶胞的棱長(zhǎng)為X，O-H…O距離為A，則3X²=（2A）²，故X=$\frac{2A}{\sqrt{3}}$，利用均攤法計(jì)算晶胞中水分子數(shù)目，表示出晶胞質(zhì)量，再根據(jù)ρ=$\frac{m}{V}$計(jì)算．

解答 解：（1）由于簡(jiǎn)并軌道（能級(jí)相同的軌道）中電子優(yōu)先單獨(dú)占據(jù)1個(gè)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(nèi)主族元素的第一電離能從左到右在總體增大的趨勢(shì)中有些曲折．當(dāng)外圍電子在能量相等的軌道上形成全空、半滿或全滿結(jié)構(gòu)時(shí)，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(jí)3個(gè)軌道處于半滿，He元素的2P能級(jí)3個(gè)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(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)=2+$\frac{1}{2}$（6-2×1）=4，且含有2個(gè)孤電子對(duì)，所以H₂O的VSEPR模型為四面體，分子空間構(gòu)型為V型，中心原子雜化方式為sp³，H₃O⁺中O原子的質(zhì)子數(shù)為8，H原子的質(zhì)子數(shù)為1，所以H₃O⁺的質(zhì)子數(shù)為11，電子數(shù)=11-1=10，NH₃的原子數(shù)目為4，電子數(shù)目為10，則與H₃O⁺互為等電子體，結(jié)構(gòu)式為：，
故答案為：sp³；四面體形；；
（3）①Cu²⁺含有空軌道，H₂O含有孤對(duì)電子，可形成配位鍵，銅離子配體數(shù)為4，配離子[Cu（H₂O）₄]²⁺中1個(gè)Cu²⁺與4個(gè)H₂O形成配位鍵，1個(gè)H₂O含2個(gè)O-H鍵，所以1mol水合銅離子中含有σ鍵數(shù)目為12N_A，
故答案為：12N_A；
②根據(jù)圖1水合鹽酸晶體H₅O₂⁺•Cl^-中H₅O₂⁺離子的結(jié)構(gòu)知：
a．氫離子含有空軌道，氧原子含有孤電子對(duì)，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(yáng)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(fù)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(chǎng)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(chǎng)作用下定向有規(guī)則的排列，分子間通過氫鍵結(jié)合而成固體；
（5）①晶體冰中，每?jī)蓚�(gè)水分子間有一個(gè)氫鍵，平均屬于每個(gè)水分子有半個(gè)，一個(gè)水分子與周圍的四個(gè)水分子以氫鍵結(jié)合，故1mol冰中有2 mol氫鍵，
故答案為：2；
②冰融化為液態(tài)水時(shí)，水分子數(shù)目不變，圖2中每個(gè)水分子平衡含有氫鍵數(shù)目為4×$\frac{1}{2}$=2，圖3中每個(gè)水分子平衡含有氫鍵數(shù)目為3×$\frac{1}{2}$=1.5，則該冰熔化過程中氫鍵被破壞的百分比為 $\frac{2-1.5}{2}$×100%=25%，
故答案為：25%；
③二氧化硅是原子晶體，Si-O通過共價(jià)鍵形成四面體結(jié)構(gòu)，四面體之間通過共價(jià)鍵形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以立方體中的水分子為研究對(duì)象，每個(gè)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(gè)數(shù)=1+8×$\frac{1}{8}$=2；設(shè)體心立方中晶胞的棱長(zhǎng)為X，O-H…O距離為A，則3X²=（2A）²，體心立方的密度ρ=$\frac{2m}{{N}_{A}×{X}^{3}}$=$\frac{18×2}{（\frac{2×295×1{0}^{-10}}{\sqrt{3}}）×6.02×1{0}^{23}}$g/cm³=1.51g/cm³；
故答案為：$\frac{18×2}{（\frac{2×295×1{0}^{-10}}{\sqrt{3}}）×6.02×1{0}^{23}}$=1.51．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較為綜合，涉及分子的立體構(gòu)型、晶胞的計(jì)算，氫鍵、分子結(jié)構(gòu)與雜化理論，注意晶體類型的有關(guān)計(jì)算，需要全面掌握基礎(chǔ)知識(shí)，并能運(yùn)用分析解決問題，難點(diǎn)是晶胞計(jì)算，題目難點(diǎn)中等．