Question

11．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）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)等電子體原理，寫出水合氫離子的一個(gè)等電子體（寫電子式）．
（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abfi．
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(guò)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；
③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）
（6）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(wú)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．圖3的五角十二面體是冰熔化形成的理想多面體結(jié)構(gòu)．
①該五角十二面體有20頂點(diǎn)，160條對(duì)角線；
②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(wú)氫鍵，則該冰熔化過(guò)程中氫鍵被破壞的百分比為25%．

Answer 1

分析 （1）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）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；
③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；
（6）①正十二面體每三個(gè)相鄰的面都有一個(gè)公共頂點(diǎn)，這個(gè)公共頂點(diǎn)分別是這三個(gè)小正五邊形的一個(gè)頂點(diǎn)，對(duì)角線為任意兩點(diǎn)間的連線減去棱數(shù)；
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；．

解答 解：（1）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，所以第二周期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），氧的第一電離能在同周期元素中由大到小排第4位，
故答案為：4；
（2）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，電子式為，
故答案為：；
（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(wú)非極性鍵；
d．因H₅O₂⁺中無(wú)陰陽(yáng)離子，所以不存在離子鍵；
e．因H₅O₂⁺中無(wú)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(wú)分子，所以不存在范德華力；
h．因H₅O₂⁺中無(wú)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(guò)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(guò)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；
②二氧化硅是原子晶體，Si-O通過(guò)共價(jià)鍵形成四面體結(jié)構(gòu)，四面體之間通過(guò)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；
③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=$\frac{m}{V}$=$\frac{2m}{{N}_{A}×{X}^{3}}$
=$\frac{18×2}{（\frac{2×295×1{0}^{-10}}{\sqrt{3}}）×6.02×1{0}^{23}}$=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；

（6）①這個(gè)正十二面體的頂點(diǎn)的個(gè)數(shù)是原來(lái)12個(gè)小正五邊形的頂點(diǎn)總和的$\frac{1}{3}$，由此即可得出正十二面體的頂點(diǎn)個(gè)數(shù)；5×12×$\frac{1}{3}$=20（個(gè)），從20個(gè)點(diǎn)選兩個(gè)就可以連線，棱數(shù)為：5×$12×\frac{1}{2}$=30，對(duì)角線為任意兩點(diǎn)間的連線減去棱數(shù)，即$\frac{20×19}{2}$-30=160，
故答案為：20；160；
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(guò)程中氫鍵被破壞的百分比為 $\frac{2-1.5}{2}$×100%=25%，
故答案為：25%．

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)等知識(shí)，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(wèn)題，難點(diǎn)是晶胞計(jì)算，題目難點(diǎn)中等．