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高中 | 杂化轨道理论题目答案及解析如下,仅供参考!
选修三
第二章 分子结构与性质
第二节 分子的立体结构
杂化轨道理论
氢能是理想清洁能源,氢能的产业链包含制氢和储氢等。
利用铁及其氧化物循环制氢,原理如图,反应器Ⅰ中化合价发生改变的元素有 $\rm ($填元素符号$\rm )$;含$\rm CO$和${{\text{H}}_{2}}$各$\rm 1\;\rm mol$的混合气体通过该方法制氢,理论上可获得 $\;\rm \text{mol}{{\text{ H}}_{2}}\rm ($不考虑反应器消耗的${{\text{H}}_{2}}\rm )$。
$\\rm C$、$\\rm H$、$\\rm Fe$;$\\dfrac{16}{9}$
"]]反应器Ⅰ中参与反应的物质有$\rm CO$、$\rm H_{2}$、$\rm Fe_{2}O_{3}$,产物有$\rm CO_{2}$、$\rm H_{2}O$、$\rm Fe$,发生反应$\rm 3CO+Fe_{2}O_{3}=2Fe+3CO_{2}$、$\rm 3H_{2}+Fe_{2}O_{3}=2Fe+3H_{2}O$,$\rm C$的化合价由$\rm +2→+4$价,$\rm Fe$的化合价由$\rm +3→0$价,$\rm H$的化合价由$\rm 0→+1$价,化合价发生改变的元素有$\rm C$、$\rm H$、$\rm Fe$;$\rm CO$、$\rm H_{2}$各$\rm 1\;\rm mol$参与$\rm 3CO+Fe_{2}O_{3}=2Fe+3CO_{2}$、$\rm 3H_{2}+Fe_{2}O_{3}=2Fe+3H_{2}O$反应,各生成$\dfrac{2}{3}\;\rm mol\;\rm Fe$,共生$\dfrac{4}{3}\;\rm mol\; Fe$, $\dfrac{4}{3}\;\rm mol\; Fe$在反应容器Ⅱ中发生反应$\rm 3Fe+4H_{2}O(g)=Fe_{3}O_{4}+4H_{2}$,共生成$\dfrac{16}{9}\;\rm mol\; H_{2}$。
氨硼烷$\left( \text{N}{{\text{H}}_{3}}\text{B}{{\text{H}}_{3}} \right)$是具有广泛应用前景的储氢材料。一种镍磷化合物催化氨硼烷水解制氢的可能机理如图所示。
①$\text{N}{{\text{H}}_{3}}\text{B}{{\text{H}}_{3}}$中$\text{N}-\text{B}$键为配位键,其中 原子提供孤电子对,$\rm B$原子的杂化方式为 ;
②基于电负性规律,描述中间体Ⅱ至中间体Ⅲ的反应机理 。
③“中间体Ⅲ”可以进一步水解,写出氨硼烷完全水解的化学方程式为 。
④${{\text{B}}_{3}}\text{O}_{6}^{3-}$具有六元环结构,其中$\rm B$原子为$\mathrm{sp}^2$杂化,其结构式可表示为 。
⑤如图$\rm 1$表示偏硼酸根的一种无限长的链式结构,其化学式可表示为 $\rm ($以$n$表示硼原子的个数$\rm )$。硼氢化钠是一种常用的还原剂,其晶胞结构如图$\rm 2$所示:若硼氢化钠晶胞上下底心处的$\text{N}{{\text{a}}^{+}}$被$\text{L}{{\text{i}}^{+}}$取代,得到晶体的化学式为 。
$\\rm N$;$\\rm sp^{3}$;由于$\\rm H$的电负性最弱吸引电子能力最差,故$\\rm H$原子被$\\rm -OH$取代;$\\text{N}{{\\text{H}}_{3}}\\text{B}{{\\text{H}}_{3}}\\rm +4H_{2}O=\\text{N}{{\\text{H}}_{4}}\\left[ \\text{B}{{\\left( \\text{OH} \\right)}_{4}} \\right]\\rm +3H_{2}↑$;;$\\left( \\text{B}{{\\text{O}}_{2}} \\right)_{ {n}}^{ {n-}}$;$\\text{N}{{\\text{a}}_{\\text{3}}}\\text{Li}{{\\left( \\text{B}{{\\text{H}}_{\\text{4}}} \\right)}_{\\text{4}}}$
①$\rm N$的最外层电子数为$\rm 5$,$\rm N$原子有孤电子对,$\rm B$的最外层电子数为$\rm 3$,$\rm B$原子有空轨道,氨硼烷中的$\rm N$、$\rm B$原子均形成$\rm 4$个价键,则$\rm N$、$\rm B$形成的配位键中,提供孤电子对的是$\rm N$原子;氨硼烷晶体中$\rm B$原子连接$\rm 4$个$\rm \delta$键,$\rm B$原子的杂化方式为$\rm sp^{3}$杂化。
②同周期元素电负性随着原子序数增加而增加,电负性:$\rm N\gt B\gt H$,电负性越强原子吸引能力越强,中间体Ⅱ至中间体Ⅲ的反应机理:由于$\rm H$的电负性最弱吸引电子能力最差,故$\rm H$原子被$\rm -OH$取代。
③根据题意,氨硼烷最终水解产物中,$\rm B$原子会与四个羟基相连形成${{\left[ \text{B}{{\left( \text{OH} \right)}_{4}} \right]}^{-}}$离子,而$\rm N$原子一直以铵根离子形成存在,水解产物为$\text{N}{{\text{H}}_{4}}\left[ \text{B}{{\left( \text{OH} \right)}_{4}} \right]$与$\rm H_{2}$,方程式为:$\text{N}{{\text{H}}_{3}}\text{B}{{\text{H}}_{3}}\rm +4H_{2}O=\text{N}{{\text{H}}_{4}}\left[ \text{B}{{\left( \text{OH} \right)}_{4}} \right]\rm +3H_{2}↑$。
④${{\text{B}}_{3}}\text{O}_{6}^{3-}$具有六元环结构,其中$\rm B$原子为$\mathrm{sp}^2$杂化,其结构式可表示为。
⑤由图$\rm 1$可知,每个$\rm B$原子周围$\rm 3$个$\rm O$原子但只有$\rm 1$个$\rm O$原子为$\rm B$原子独有,另两个$\rm O$原子各有$\dfrac{1}{2}$属于$\rm B$原子,故$\rm B$有$\rm 1$个,$\rm O$有$\rm 1+2\times \dfrac{1}{2}\rm =$ $\rm 2$个,化学式可表示为$\left( \text{B}{{\text{O}}_{2}} \right)_{ {n}}^{ {n-}}$; 如图$\rm 2$所示的晶胞中,$\rm BH_{\text{4}}^{-}$ 位于顶点、面心和体心位置,共$8\times \dfrac{1}{8}+4\times \dfrac{1}{2}+1=4$个,$\rm Na^{+}$位于面心、棱心位置,有$6 \times \dfrac{1}{2}+4 \times \dfrac{1}{4}=4$个,若硼氢化钠晶胞上下底心处的$\rm Na^{+}$被$\rm Li^{+}$取代,则$\rm Na^{+}$变为$4 \times \dfrac{1}{2}+4 \times \dfrac{1}{4}=3$个,$\rm Li^{+}$为$2\times \dfrac{1}{2}=1$,故化学式为:$\text{N}{{\text{a}}_{\text{3}}}\text{Li}{{\left( \text{B}{{\text{H}}_{\text{4}}} \right)}_{\text{4}}}$。
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