Question

15．如图的分子结构模型A（相对分子质量为M）是由4种半径依次增大的短周期元素X、Y、Z、M构成，该物质溶于水显强酸性．请回答下列问题．
（1）M的基态电子排布式是1s²2s²2p⁶3s²3p⁴
（2）A分子中，Z原子、M原子采用的杂化轨道方式分别是sp²、sp³
（3）A作为油田酸化注水井的酸、与同浓度的盐酸相比，同碳酸钙反应慢，而且浓度愈大，反应速度愈慢，请从结构上予以解释苯磺酸中苯基为憎水基团，水溶性差，影响氢离子电离，苯磺酸通过范德华力结合，而苯磺酸根体积大，质量大，范德华力强，比氯离子移动慢
（4）电极材料碳纳米管B的结构见如图，其比乙块黑电极在电池中更优越，主要原因是碳纳米管的结构规范整齐，电子流动有序性高，电阻小、磺酸基极性强，能与水形成氢键，电解质交互性好．
（5）A晶体结构为面心立方，晶胞边长是apm，则其密度为（列式表示）$\frac{4M}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$g/cm³．

Answer 1

分析 图中分子结构模型A（相对分子质量为M）是由4种半径依次增大的短周期元素X、Y、Z、M构成，该物质溶于水显强酸性，由结构可知A为苯磺酸，X为H、Y为C、Z为O、M为S．
（1）S元素原子核外有16个电子，结构构造原理书写；
（2）分子中氧元素表现-2价，结合结构判断原子形成σ键数目、孤电子对数，确定氧原子杂化轨道；
S原子与碳原子、羟基中氧原子形成1对共用电子对，与非羟基O形成2对共用电子对，进而确定其杂化轨道；
（3）苯磺酸中苯基为憎水基团，水溶性差，影响氢离子电离，苯磺酸通过范德华力结合，而苯磺酸根体积大，质量大，范德华力强，比氯离子移动慢；
（4）碳纳米管的结构规范整齐，电子流动有序性高，电阻小，磺酸基极性强，能与水形成氢键，电解质交互性好；
（5）A晶体结构为面心立方，苯磺酸处于顶点与面心位置，根据均摊法计算晶胞中苯磺酸分子数目，进而计算晶胞的质量，根据晶胞边长是apm计算晶胞体积，再根据ρ=$\frac{m}{V}$计算其密度．

解答 解：图中分子结构模型A（相对分子质量为M）是由4种半径依次增大的短周期元素X、Y、Z、M构成，该物质溶于水显强酸性，由结构可知A为苯磺酸，X为H、Y为C、Z为O、M为S．
（1）S元素原子核外有16个电子，基态电子排布式是：1s²2s²2p⁶3s²3p⁴，
故答案为：1s²2s²2p⁶3s²3p⁴；
（2）分子中氧元素表现-2价，羟基中O原子价层电子对数=2+$\frac{6-1×2}{2}$=3，非羟基氧原子价层电子对数=1+$\frac{6-2}{2}$=3，含有1对孤电子对，故采取sp²杂化；S原子形成4个σ键数，价层电子对数为4+$\frac{6-1-1-2×2}{2}$=4，故S原子采取sp³杂化，
故答案为：sp²；sp³；
（3）苯磺酸中苯基为憎水基团，水溶性差，影响氢离子电离，苯磺酸通过范德华力结合，而苯磺酸根体积大，质量大，范德华力强，比氯离子移动慢，故与同浓度的盐酸相比，同碳酸钙反应慢，而且浓度愈大，反应速度愈慢，
故答案为：苯磺酸中苯基为憎水基团，水溶性差，影响氢离子电离，苯磺酸通过范德华力结合，而苯磺酸根体积大，质量大，范德华力强，比氯离子移动慢；
（4）碳纳米管的结构规范整齐，电子流动有序性高，电阻小，磺酸基极性强，能与水形成氢键，电解质交互性好，其比乙块黑电极在电池中更优越，
故答案为：碳纳米管的结构规范整齐，电子流动有序性高，电阻小；磺酸基极性强，能与水形成氢键，电解质交互性好；
（5）A晶体结构为面心立方，苯磺酸处于顶点与面心位置，晶胞中苯磺酸分子数目为8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，则晶胞的质量为4×$\frac{M}{{N}_{A}}$g，晶胞边长是a pm，则晶胞体积为（a×10^-10 cm）³，则其密度为4×$\frac{M}{{N}_{A}}$g÷（a×10^-10 cm）³=$\frac{4M}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$g/cm³，
故答案为：$\frac{4M}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$．

点评 本题是对物质结构的考查，涉及核外电子排布、杂化轨道、晶胞计算、分子结构与性质等，根据结构简式判断A物质及元素是解题关键，苯磺酸在中学中基本没有涉及，（3）（4）为难点，难度较大．