物质结构与性质易错题归类剖析

■江西师范大学附属中学 周 玮

物质结构与性质的常见题型为选择题和综合题,考查考生对结构知识体系的归纳推理能力、信息迁移能力以及综合应用能力。物质结构与性质的知识点包括原子结构(核外电子排布、杂化方式、电负性等)、分子结构(化学键、电子式、结构式、官能团等)、晶体结构(晶体类型判断、物质熔沸点高低影响因素、晶体的密度等)。本文通过对“物质结构与性质”相关易错试题的分析,发掘知识体系中学生的易错知识点,希望可以引导考生克服对“物质结构与性质”的畏难心理,厘清试题中知识脉络的关系,实现“以错题回归知识本源”的目的,从而达成以易错点形成避错策略的知识掌握核心目标。

易错点1：原子结构与性质相关知识点

原子结构与性质在试题中常见的命题角度有:原子核外电子的排布规律及其表示方法,原子结构与元素电离能和电负性的关系及其应用。试题侧重原子核外电子排布式或轨道表示式,未成对电子数判断,电负性、电离能、原子半径和元素金属性与非金属性比较的考查。在书写基态原子电子排布时,常见的易错点为违反能量最低原理、泡利原理、洪特规则及特例;还需注意同能级的轨道半充满、全充满或全空状态的原子结构稳定,如Cr:3d54s1、Mn:3d54s2、Cu:3d104s1、Zn:3d104s2;另外需理解电离能与金属性及金属元素价态的关系,电负性与非金属性及组成化合物所形成的化学键的关系。

易错提醒：书写电子排布式的常见错误与技巧。

例1已知某原子结构示意图为,下列有关说法不正确的是( )。

A.结构示意图中x=2

B.该原子的电子排布式为1s22s22p63s23p2

C.该原子的轨道表示式为

D.该原子结构中共有5个能级上填充有电子

解析：由原子结构示意图可知,K 层电子排满时为2 个电子,故x=2,该元素为硅,故A 项正确。该原子的电子排布式为1 s22 s22 p63 s23 p2,故B 项正确;硅原子核外电子的轨道表示式为,故C 项错误。原子结构中共有1s、2s、2p、3s、3p 这5 个能级上填充有电子,故D 项正确。

答案：C

例2下列各项叙述中,正确的是( )。

A.镁原子由1s22s22p63s2→1s22s22p63p2时,原子释放能量,由基态转化成激发态

B.价层电子排布式为6s26p3的元素位于第六周期第ⅢA 族,是s区元素

C.所有原子任一能层的s电子云轮廓图都是球形,但球的半径大小不同

D.24Cr原子的电子排布式是1s22s22p63s23p63d44s2

解析：镁原子由基态转化为激发态时吸收能量,A 项错误。价层电子排布式为6s26p3的元素位于第六周期第ⅤA 族,是p区元素,B 项错误。所有原子任一能层的s电子云轮廓图都是球形,能层序数越大,球的半径就越大,C项正确。原子轨道处于全空、全满或半充满状态时,能量最低,故24Cr原子的核外电子排布式应是1s22s22p63s23p63d54s1,D 项正确。

答案：C

易错点2：分子结构与性质

分子结构与性质在试题中的常见命题角度有:围绕某物质判断共价键的类型和数目,分子的极性、中心原子的杂化方式、微粒的立体构型,氢键的形成及对物质的性质影响等。试题侧重考查微粒构型、杂化方式、中心原子的价层电子对数、配位原子判断与配位数、化学键类型、分子间作用力与氢键、分子极性等。对σ键和π 键的判断,要掌握好方法;对杂化轨道的判断,要理解常见物质的杂化方式;通过三种作用力对性质的影响解释相关现象及结论。注意以下三个误区:不要误认为分子的稳定性与分子间作用力和氢键有关,其实分子的稳定性与共价键的强弱有关;不要误认为组成相似的分子,中心原子的杂化类型相同,关键是要看其σ键和孤电子对数是否相同。如BCl3中B 原子为sp2杂化,NCl3中N 原子为sp3杂化;不要误认为只要含有氢键物质的熔、沸点就高,其实不一定,分子间的氢键会使物质的熔、沸点升高,而分子内氢键一般会使物质的熔、沸点降低。

易错提醒：判断分子中中心原子的杂化轨道类型的方法。

(1)根据VSEPR 模型、中心原子价层电子对数判断,如(ABm型)中心原子的价层电子对数为4,中心原子的杂化轨道类型为sp3;价层电子对数为3,中心原子的杂化轨道类型为sp2;价层电子对数为2,中心原子的杂化轨道类型为sp。

(2)根据等电子体原理进行判断,如CO2是直线形分子,SCN-、N-3与CO2是等电子体,所以分子的空间结构均为直线形,结构式类似,中心原子均采用sp杂化。

(3)根据分子或离子中有无π 键及π 键数目判断,没有π键的为sp3杂化,如CH4中的C原子;含1个π键的为sp2杂化,如甲醛中的C原子以及苯环中的C 原子;含2 个π键的为sp杂化,如二氧化碳分子和乙炔分子中的碳原子。

规律方法：“四方法”判断中心原子的杂化类型。

(1)根据杂化轨道的空间结构判断。

①直线形⇒sp,②平面三角形⇒sp2,③四面体形⇒sp3。

(2)根据杂化轨道间的夹角判断。

①109°28'⇒sp3,②120°⇒sp2,③180°⇒sp。

(3)利用价层电子对数确定三种杂化类型(适用于中心粒子)。

2对⇒sp 杂化,3 对⇒sp2杂化,4 对⇒sp3杂化。

(4)根据σ键数与孤电子对数(适用于结构式已知的粒子)判断。

①含C有机化合物:2个σ⇒sp,3个σ⇒sp2,4个σ⇒sp3。

②含N化合物:2个σ⇒sp2,3个σ⇒sp3。

③含O(S)化合物:2个σ⇒sp3。

例3(1)Cu2+处于[Cu(NH3)4]2+的中心,若将配离子[Cu(N H3)4]2+中的2 个NH3换为CN-,则有2种结构,则Cu2+是否为sp3杂化?____(填“是”或“否”),理由为____。

(2)用价层电子对互斥理论推断甲醛中H—C—H 的键角____120 °(填“＞”“＜”或“=”)。

(3)SO2Cl2和SO2F2都属于AX4E0型分子,S＝ O 之间以双键结合,S—Cl、S—F之间以单键结合。请你预测SO2Cl2和SO2F2分子的立体构型为____。SO2Cl2分子中 ∠Cl—S—Cl____SO2F2分子中∠F—S—F(填“＜”“＞”或“=”)。

(4)抗坏血酸的分子结构如下所示,该分子中碳原子的杂化轨道类型为____。

解析：(1)由于将配离子[Cu(N H3)4]2+中的2个NH3换为CN-,有2种结构,说明[Cu(NH3)4]2+形成平面正方形结构,Cu2+在平面正方形对角线的交点上。若是Cu2+采用sp3杂化,由于正四面体任何两个顶点都处于相邻位置,那么[Cu(N H3)4]2+的空间构型为正四面体形,将配离子[Cu(NH3)4]2+中的2个N H3换为CN-,则只有1种结构,所以Cu2+不是采用sp3杂化。

(2)甲醛分子中,碳氧之间为双键,根据价层电子对互斥理论可知双键与单键之间的斥力大于单键与单键之间的斥力,所以H—C—H 的键角小于120°。

(3)当中心原子的价层电子对数为4时,VSEPR 模型为四面体形,硫原子无孤电子对,所以立体构型为四面体形。X 原子得电子能力越弱,A—X 形成的共用电子对之间的斥力越强,F 原子的得电子能力大于氯原子,所以SO2Cl2分子中∠Cl—S—Cl＞SO2F2分子中∠F—S—F。

(4)该分子中亚甲基、次亚甲基上C原子价层电子对个数都是4,连接碳碳双键和碳氧双键的C 原子价层电子对个数是3,根据价层电子对互斥理论,该分子中碳原子的轨道杂化类型,前者为sp3杂化,后者为sp2杂化。

答案：(1)否 若是 sp3杂化,[Cu(NH3)4]2+的立体构型为正四面体形,将配离子[Cu(NH3)4]2+中的2 个N H3换为CN-,则只有1种结构

(2)＜

(3)四面体形 ＞

(4)sp2、sp3

易错点3：晶体结构与性质

晶体结构与性质在试题中常见的命题角度有晶体的类型、结构与性质的关系、晶体熔沸点高低的比较、配位数、晶胞模型分析及有关计算等考点。试题侧重晶体类型判断、物质熔沸点的比较与原因、晶胞中微粒数的判断、配位数、晶胞密度计算、晶胞参数、空间利用率计算的考查。易错点主要是晶胞特点的计算,如面心立方晶胞与体心立方晶胞的配位数不同;晶胞参数给定单位是nm 或pm时,忽略换算成cm。

易错提醒：(1)判断某种微粒周围等距且紧邻的微粒数目时,要注意运用三维想象法。如Na Cl晶体中,Na+周围的Na+数目(Na+用“○”表示)如图1 所示,每个面上有4 个,共计12个。

图1

(2)常考的几种晶体主要有干冰、冰、金刚石、SiO2、石墨、CsCl、NaCl、K、Cu等,要熟悉以上代表物的空间结构。当题中信息给出与某种晶体空间结构相同时,可以直接套用某种结构。

规律方法：晶胞密度计算的基本过程。

例4氮化钛晶体的立方晶胞结构如图2所示,该晶胞中N 和N 之间的最近距离为apm,以晶胞边长为单位长度建立坐标系,原子A 的坐标参数为(0,0,0),下列说法错误的是( )。

图2

C.该物质的化学式为Ti N

D.Ti的配位数为6

解析：原子B在x,y,z轴上坐标分别为1,1,,则坐标参数为,A 项错误。晶胞中N 和N 之间的最近距离为面对角线的,为apm,则N 与Ti的最近距离是,则晶胞边长为,B 项正确。该晶胞中,Ti(黑球)的个数为,N(白球)的个数为,则Ti和N 的个数比为1∶1,该物质的化学式为Ti N,C项正确。以体心钛为例,与Ti距离相等且最近的N 有6个,则Ti的配位数为6,D项正确。

答案：A

例5芯片作为科技产业,以及信息化、数字化的基础,自诞生以来,就一直倍受关注, 也一直蓬勃发展。芯片制造会经过六个最为关键的步骤:沉积、光刻胶涂覆、光刻、刻蚀、离子注入和封装。

(1)将Mn 掺杂到Ga As的晶体中替换部分Ga得到稀磁性半导体材料,晶体结构如图3(甲)所示。

图3

图中a、b的坐标分别为(0,0,0)和(1,1,0),则c点Mn的原子坐标分别为_____, 掺杂Mn之后,晶体中Mn、Ga、As的原子个数比为_____。

(2)“光刻胶涂覆”中用到一种701 紫外正型光刻胶,结构如图3(乙)所示,其S的杂化方式为____。

(3)“光刻”时,紫外负型光刻胶常含有—N3(叠氮基), 在紫外光下形成的阴离子的等电子体有____(填化学式,任写一种),其空间构型为____。

(4)一种Ag2HgI4固体导电材料为四方晶系,其晶胞参数为apm、apm 和2apm,晶胞沿x、y、z的方向投影(如图4所示),A、B、C 表示三种不同原子的投影。其中代表Hg原子的是____(填“A”“B”或“C”)。设NA为阿伏加德罗常数的值,Ag2HgI4的摩尔质量为Mg· mol-1,该晶体的密度为_____g·cm-3(用代数式表示)。

图4

解析：(1)由图可知,c点锰原子在x、y、z轴上的投影坐标分别为0,,,则c点Mn 的原子坐标为(0,,);根据“均摊法”,晶胞中含,4 个As,掺杂Mn 之后,晶体中 Mn、Ga、As 的原子个数比为5∶27∶32。

(2)图中硫原子形成4 个共价键且无孤电子对,为sp3杂化。

(3)等电子体是指价电子数和原子数相同的分子、离子或原子团。阴离子的等电子体有N2O、CO2、CS2等。阴离子的中心原子N 原子的价层电子对数为,为sp 杂化,空间构型为直线形。

(4)由投影可知,A 位于晶胞内部,原子数为8;B 原子位于顶点和体心,根据“均摊法”,晶胞中含;C 原子位于棱上和六个面上,晶胞中含。结合化学式Ag2HgI4可知,A、B、C分别为I、Hg、Ag,晶体密度为。

答案：(1)

(2)sp3

(3)N2O、CO2、CS2(任写一种) 直线形

总之,在“双新”背景下,有关物质结构与性质的试题对考生结构知识体系的归纳推理能力、信息迁移能力以及综合应用能力有较高的要求。考生在复习物质结构与性质知识时,对常见易错题的整理是学习过程中的重要环节。复习过程中需要注重知识点的落实和模型的建构及应用,增强“以错题引导思维辨析”的主动意识,实现“以错题回归知识本源”的目的,培养化学学科的核心素养和理解与辨析、分析与推测、归纳与论证的能力。