Question

12．海洋是巨大的资源宝库，具有美好的前景．
（1）“蛟龙”号潜水器通过机械手成功从海底取得“多金属结核”样本，样本含铁、锰等多种金属．基态锰原子的电子排布式为[Ar]3d⁵4s²
（2）水溶液中，过硫酸盐可以将Mn²⁺ 氧化成MnO₄^-．H₂S₂O₈的结构如图所示．
①H₂S₂O₈中硫原子的轨道杂化方式为sp³
②上述反应中被还原的元素为硫
③上述反应每生成1mol MnO₄^- 时，S₂O₈^2-断裂的键的类型是非极性共价键，数目为2.5N_A
（3）海底还蕴藏着大量“可燃冰”．“可燃冰”实际上是由盛有甲烷、氮气、硫化氢等分子的水分子笼构成的水合物晶体．
①N、O、S三种元素第一电离能由大到小的顺序为N＞O＞S（填元素符号）
②一种甲烷水合物晶体中，平均每46个水分子构成8个笼，每个分子笼可容纳1个甲烷分子或水分子．若这8个分子笼中有6个容纳是甲烷分子，另外2个被水分子填充，这种可燃冰的平均组成可表示为CH₄•8H₂O．
③水分子笼多种多样，如图是一种水分子笼的结构示意图（“O”表示水分子），其中包含的氢键数为30．
④实验测得冰中氢键的作用能为18.8kJ•mol^-1，而冰的熔化热为5.0kJ•mol^-1，其原因可能是液态水中仍然存在大量氢键．

Answer 1

分析 （1）锰原子序数为25，根据能量最低原则、泡利不相容原理和洪特规则综合考虑，写出核外电子排布式；
（2）①根据价层电子对=σ 键电子对+中心原子上的孤电子对，结合S₂O₈ ^2-结构判断杂化类型；
②氧化还原反应中，元素的化合价降低，被还原；
③活泼金属和活泼非金属元素之间易形成离子键，不同非金属元素之间易形成极性键、同种非金属元素之间易形成非极性键，根据S₂O₈ ^2-结构分析解答；
（3）①同一周期元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大的趋势，但第IIA族和第VA族元素的第一电离能大于相邻元素；同主族从上到下，元素的第一电离逐渐减小；
②根据题中关于天然气水合物构成的描述，晶体中每8个笼中有6个容纳了CH₄分子，另外2个被2个游离的H₂O分子所填充，推断该天然气水合物的构成中CH₄分子与H₂O分子的粒子数的比，判断天然气水合物的平均组成的表示式；
③由此结构可知，此单元中含有水分子的个数为：20，其中每个水分子属于三个五元环，据此计算氢键；
④冰中氢键的作用能为18.8kJ•mol^-1，而冰熔化热为5.0kJ•mol^-1，说明冰熔化为液态水时只是破坏了一部分氢键，并且液态水中仍在氢键．

解答 解：（1）锰原子序数为25，质子数为25，原子核外电子数为25，根据能量最低原则、泡利不相容原理和洪特规则，Mn的电子排布式为[Ar]3d⁵4s²，
故答案为：[Ar]3d⁵4s²；
（2）①H₂S₂O₈中，硫原子价层电子对数=σ 键电子对+中心原子上的孤电子对=4+$\frac{1}{2}$（6-4×1-2）=4，所以采取sp³杂化，
故答案为：sp³杂化； 
②过硫酸盐可以将Mn²⁺ 氧化成MnO₄^-，反应2Mn²⁺+5S₂O₈^2-+8H₂O$\frac{\underline{\;Ag+\;}}{\;}$2MnO₄^-+10SO₄^2-+16H⁺中，该反应中，Mn元素的化合价升高（+2→+7），S元素的化合价降低（+7→+6），所以被还原的元素为S，
故答案为：硫；
③由反应可知，Mn元素的化合价升高（+2→+7），S元素的化合价降低（+7→+6），生成10molSO₄^2-转移电子10mol电子，则每生成1 mol MnO₄^-，转移电子5mol电子，S₂O₈ ^2-断裂2.5mol（或2.5N_A）O-O间非极性共价键，
故答案为：非极性键；2.5N_A；
（3）①同一周期元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大的趋势，但第IIA族和第VA族元素的第一电离能大于相邻元素，同主族从上到下，元素的第一电离能逐渐减小，所以N、O、S三种元素的第一电离能由大到小的顺序为：N＞O＞S，
故答案为：N＞O＞S； 
②平均每46个水分子构成8个笼，晶体中每8个笼中有6个容纳了CH₄分子，另外2个被2个游离的H₂O分子所填充；所以天然气水合物的构成中含6个CH₄分子、46+2=48个H₂O分子，
则CH₄分子与H₂O分子粒子数比=6：48=1：8，可判断天然气水合物的平均组成可表示为CH₄•8H₂O，
故答案为：CH₄•8H₂O；
③由此结构可知，此单元中含有水分子的个数为：20，其中每个水分子形成的氢键属于2个五元环，故每个水分子形成氢键个数为：$\frac{3}{2}$，故总共形成氢键数为：20×$\frac{3}{2}$=30，
故答案为：30；
④冰中氢键的作用能为18.8kJ•mol^-1，而冰熔化热为5.0kJ•mol^-1，说明冰熔化为液态水时只是破坏了一部分氢键，并且液态水中仍在氢键，
故答案为：液态水中仍然存在大量氢键．

点评 本题考查核外电子排布、氧化还原反应、第一电离能、杂化、共价键类型等知识点，为高频考点，氧化还原反应须把握反应中元素的化合价变化，熟练应用杂化理论，掌握第一电离能变化规律为解答的关键，注意可燃冰的结构，题目难度中等．