化學(xué)空間想象能力測(cè)評(píng)試題一、分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)題1.甲烷分子的立體構(gòu)型甲烷（CH?）分子中，碳原子采用sp3雜化，形成四個(gè)完全等同的C-Hσ鍵。請(qǐng)回答：（1）甲烷分子的空間構(gòu)型為__________，鍵角為__________。（2）若將甲烷分子中的一個(gè)氫原子替換為氯原子，得到一氯甲烷（CH?Cl），其分子的對(duì)稱性是否改變？簡(jiǎn)述理由。解析：（1）正四面體；109°28′。（2）改變。甲烷分子中四個(gè)C-H鍵完全對(duì)稱，而一氯甲烷中C-Cl鍵與C-H鍵的鍵長(zhǎng)和電負(fù)性差異導(dǎo)致分子對(duì)稱性降低，構(gòu)型變?yōu)樽冃嗡拿骟w。2.乙烯分子的共面問題乙烯（C?H?）分子中，兩個(gè)碳原子均采用sp2雜化，分子中存在一個(gè)C=C雙鍵和四個(gè)C-H單鍵。判斷下列說法的正誤：（A）乙烯分子中所有原子共平面（B）碳碳雙鍵中的π鍵可以自由旋轉(zhuǎn)（C）若乙烯分子中一個(gè)氫原子被甲基（-CH?）取代，所得分子中所有碳原子仍共平面解析：（A）正確。乙烯分子中，碳原子的三個(gè)sp2雜化軌道形成平面三角形結(jié)構(gòu)，雙鍵碳原子及所連四個(gè)氫原子共平面。（B）錯(cuò)誤。π鍵由p軌道側(cè)面重疊形成，旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致重疊破壞，因此雙鍵不能自由旋轉(zhuǎn)。（C）錯(cuò)誤。甲基中的碳原子為sp3雜化，呈四面體結(jié)構(gòu)，與雙鍵碳原子相連后，甲基上的氫原子無法全部共平面。二、雜化軌道與分子構(gòu)型題3.雜化類型與鍵角比較指出下列分子的中心原子雜化類型及分子空間構(gòu)型，并比較鍵角大?。海?）NH?（2）H?O（3）CO?解析：（1）NH?：中心N原子為sp3雜化，孤電子對(duì)數(shù)為1，分子構(gòu)型為三角錐形，鍵角約107°。（2）H?O：中心O原子為sp3雜化，孤電子對(duì)數(shù)為2，分子構(gòu)型為V形，鍵角約104.5°。（3）CO?：中心C原子為sp雜化，無孤電子對(duì)，分子構(gòu)型為直線形，鍵角180°。鍵角大小順序：CO?＞NH?＞H?O。孤電子對(duì)間的斥力大于成鍵電子對(duì)，導(dǎo)致鍵角隨孤電子對(duì)數(shù)增加而減小。4.配合物的空間結(jié)構(gòu)配合物[Cu(NH?)?]2?中，Cu2?的配位數(shù)為4，NH?為配體。若該配合物的空間構(gòu)型為平面正方形，則Cu2?的雜化類型為__________；若為正四面體，則雜化類型為__________。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該配合物具有順磁性，且存在幾何異構(gòu)體，推斷其實(shí)際構(gòu)型為__________。解析：sp2；sp3；平面正方形。Cu2?的價(jià)電子構(gòu)型為3d?，若為sp3雜化（四面體構(gòu)型），電子云分布對(duì)稱，無幾何異構(gòu)體；若為sp2雜化（平面正方形），則存在順式（相鄰NH?）和反式（相對(duì)NH?）兩種異構(gòu)體，且未成對(duì)電子導(dǎo)致順磁性。三、晶體結(jié)構(gòu)計(jì)算題5.NaCl晶胞分析NaCl晶體的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示（鈉離子位于頂點(diǎn)和面心，氯離子位于棱心和體心）。（1）每個(gè)晶胞中含鈉離子（Na?）的數(shù)目為__________，氯離子（Cl?）的數(shù)目為__________。（2）若晶胞參數(shù)（邊長(zhǎng)）為apm，計(jì)算NaCl晶體的密度（用N?表示阿伏伽德羅常數(shù)）。解析：（1）Na?：8×1/8（頂點(diǎn)）+6×1/2（面心）=4；Cl?：12×1/4（棱心）+1×1（體心）=4。（2）晶胞體積V=(a×10?1?cm)3，晶胞質(zhì)量m=(4×58.5)/N?g，密度ρ=m/V=234/(N?·a3×10?3?)g/cm3。6.金剛石與石墨的結(jié)構(gòu)差異（1）金剛石中每個(gè)碳原子與__________個(gè)相鄰碳原子形成共價(jià)鍵，晶體中最小碳環(huán)含__________個(gè)碳原子。（2）石墨晶體中，層內(nèi)碳原子采用__________雜化，層間通過__________結(jié)合。解釋石墨具有導(dǎo)電性的原因。解析：（1）4；6。（2）sp2；范德華力。石墨層內(nèi)每個(gè)碳原子的未雜化p軌道相互平行重疊，形成離域大π鍵，電子可在層內(nèi)自由移動(dòng)，因此具有導(dǎo)電性。四、立體異構(gòu)與空間想象題7.二氯甲烷的同分異構(gòu)體甲烷分子為正四面體構(gòu)型，若其二取代物（CH?Cl?）存在兩種結(jié)構(gòu)（相鄰或相對(duì)），則可證明甲烷為平面正方形。實(shí)際CH?Cl?是否存在同分異構(gòu)體？用空間構(gòu)型原理解釋。解析：不存在。正四面體構(gòu)型中，四個(gè)氫原子完全等同，任意兩個(gè)氫原子被取代后，分子結(jié)構(gòu)均相同（無相鄰或相對(duì)之分）。若為平面正方形，則會(huì)出現(xiàn)鄰位和對(duì)位兩種同分異構(gòu)體，與實(shí)驗(yàn)事實(shí)矛盾。8.順反異構(gòu)判斷下列有機(jī)物中，哪些存在順反異構(gòu)？（A）CH?=CHCH?（B）CH?CH=CHCH?（C）CH?CH=CHCl解析：（B）和（C）存在順反異構(gòu)。順反異構(gòu)的條件是雙鍵碳原子所連的兩個(gè)基團(tuán)不同。（A）中一個(gè)雙鍵碳原子連有兩個(gè)氫原子，無異構(gòu)；（B）中雙鍵碳原子分別連有CH?和H，存在順式（兩個(gè)CH?同側(cè)）和反式（兩個(gè)CH?異側(cè)）；（C）中雙鍵碳原子分別連有CH?、H和Cl、H，存在順反異構(gòu)。五、晶體結(jié)構(gòu)綜合題9.鈣鈦礦晶胞分析鈣鈦礦（CaTiO?）的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示，Ca2?位于頂點(diǎn)，Ti??位于體心，O2?位于面心。（1）寫出鈣鈦礦的化學(xué)式，并說明理由。（2）若晶胞邊長(zhǎng)為anm，計(jì)算Ti??與O2?之間的最短距離。解析：（1）Ca2?：8×1/8=1；Ti??：1×1=1；O2?：6×1/2=3，化學(xué)式為CaTiO?。（2）Ti??位于體心，O2?位于面心，最短距離為晶胞面對(duì)角線的一半，即(√2/2)anm。10.石墨與金剛石的穩(wěn)定性比較已知石墨的燃燒熱為393.5kJ/mol，金剛石的燃燒熱為395.4kJ/mol。從晶體結(jié)構(gòu)角度解釋二者穩(wěn)定性差異的原因。解析：石墨比金剛石穩(wěn)定。石墨中層內(nèi)碳原子通過sp2雜化形成共價(jià)鍵，鍵長(zhǎng)較短（142pm），層間通過范德華力結(jié)合；金剛石中碳原子為sp3雜化，鍵長(zhǎng)較長(zhǎng)（154pm）。燃燒熱數(shù)據(jù)表明，金剛石能量更高，更不穩(wěn)定。六、分子構(gòu)型與性質(zhì)應(yīng)用題11.分子極性判斷判斷下列分子的極性，并說明理由：（1）BF?（2）SF?（3）H?O解析：（1）非極性分子。BF?為平面三角形，B-F鍵極性對(duì)稱抵消。（2）非極性分子。SF?為正八面體構(gòu)型，S-F鍵極性完全抵消。（3）極性分子。H?O為V形結(jié)構(gòu)，O-H鍵極性無法抵消，分子正負(fù)電荷中心不重合。12.氫鍵對(duì)分子構(gòu)型的影響水分子（H?O）和硫化氫（H?S）的分子構(gòu)型均為V形，但H?O的沸點(diǎn)（100℃）遠(yuǎn)高于H?S（-60.7℃）。解釋這一現(xiàn)象，并說明氫鍵對(duì)H?O分子空間結(jié)構(gòu)的影響。解析：H?O分子間存在氫鍵，而H?S分子間僅存在范德華力。氫鍵的形成使H?O分子更易聚集，沸點(diǎn)升高。氫鍵的方向性（O-H…O夾角約180°）和飽和性（每個(gè)O原子最多形成2個(gè)氫鍵）導(dǎo)致冰晶體中水分子形成四面體結(jié)構(gòu)，密度小于液態(tài)水。七、拓展探究題13.fullerene（C??）的結(jié)構(gòu)C??分子由12個(gè)正五邊形和20個(gè)正六邊形組成，形似足球。每個(gè)碳原子與周圍3個(gè)碳原子相連，形成σ鍵和離域π鍵。（1）計(jì)算C??分子中碳原子的雜化類型。（2）若C??分子可看作“球狀”，其直徑約為1nm，估算其體積（π取3.14）。解析：（1）sp2雜化。每個(gè)碳原子形成3個(gè)σ鍵（平面三角形分布），剩余p軌道參與形成離域大π鍵。（2）體積V=(4/3)πr3=(4/3)×3.14×(0.5nm)3≈0.52nm3。14.配合物異構(gòu)體數(shù)目計(jì)算配合物[Co(NH?)?Cl?]Cl有兩種幾何異構(gòu)體（順式和反式）。若將其中兩個(gè)NH?替換為H?O，形成[Co(NH?)?(H?O)?Cl?]Cl，理論上有多少種幾何異構(gòu)體？解析：4種。該配合物為八面體構(gòu)型，兩個(gè)NH?、兩個(gè)H?O和兩個(gè)Cl?在八面體頂點(diǎn)的排布方式如下：兩個(gè)NH?相鄰，兩個(gè)H?O相鄰，兩個(gè)Cl?相鄰；兩個(gè)NH?相鄰，兩個(gè)H?O相對(duì)，兩個(gè)Cl?相鄰；兩個(gè)NH?相對(duì)，兩個(gè)H?O相鄰，兩個(gè)Cl?相鄰；兩個(gè)NH?相對(duì)，兩個(gè)H?O相對(duì)，兩個(gè)Cl?相對(duì)。八、鍵角與構(gòu)型關(guān)系題15.鍵角大小比較比較下列分子或離子的鍵角大小，并解釋原因：（1）NO??、NO??（2）CH?、NH?、H?O解析：（1）NO??＞NO??。NO??中N原子為sp2雜化，鍵角120°；NO??中N原子為sp2雜化，但存在一對(duì)孤電子對(duì)，斥力導(dǎo)致鍵角減小（約115°）。（2）CH?＞NH?＞H?O。中心原子均為sp3雜化，孤電子對(duì)數(shù)依次為0、1、2，孤電子對(duì)斥力大于成鍵電子對(duì)，鍵角依次減?。?09°28′→107°→104.5°）。16.等電子體構(gòu)型判斷已知CO?與N?O互為等電子體，SO?2?與PO?3?互為等電子體。推測(cè)N?O和PO?3?的空間構(gòu)型。解析：N?O與CO?等電子體，C原子為sp雜化，直線形，因此N?O為直線形。PO?3?與SO?2?等電子體，S原子為sp3雜化，正四面體構(gòu)型，因此PO?3?為正四面體。九、實(shí)驗(yàn)與模型結(jié)合題17.分子模型搭建分析用球棍模型搭建SF?分子時(shí)，發(fā)現(xiàn)硫原子周圍有6個(gè)氟原子，形成正八面體構(gòu)型。若將其中一個(gè)F原子替換為Cl原子，得到SF?Cl，該分子是否存在同分異構(gòu)體？用模型說明理由。解析：不存在。正八面體構(gòu)型中，6個(gè)頂點(diǎn)完全等同，任意一個(gè)頂點(diǎn)被替換后結(jié)構(gòu)相同，因此SF?Cl無同分異構(gòu)體。18.晶體密度計(jì)算已知金屬銅（Cu）的晶胞為面心立方結(jié)構(gòu)，棱長(zhǎng)a=361.5pm，Cu的摩爾質(zhì)量為64g/mol，計(jì)算銅晶體的密度（N?=6.02×1023mol?1）。解析：每個(gè)晶胞含Cu原子數(shù)=8×1/8+6×1/2=4。晶胞體積V=(361.5×10?1?cm)3≈4.72×10?23cm3。密度ρ=(4×64)/(6.02×1023×4.72×10?23)≈8.96g/cm3。十、綜合應(yīng)用題19.藥物分子的手性異構(gòu)某藥物分子結(jié)構(gòu)如圖所示，分子中存在一個(gè)手性碳原子（連接四個(gè)不同基團(tuán)）。（1）用“*”標(biāo)出該手性碳原子。（2）若該藥物的左旋體具有藥效，右旋體無活性，工業(yè)合成中如何控制產(chǎn)物的立體構(gòu)型？解析：（1）手性碳原子為與羥基（-OH）、羧基（-COOH）、氨基（-NH?）和氫原子（-H）相連的碳原子。（2）采用手性催化劑或不對(duì)稱合成方法，通過控制反應(yīng)過渡態(tài)的立體構(gòu)型，優(yōu)先生成左旋體。20.石墨插層化合物石墨層間可插入金