化學空間想象能力測評試題一、分子結構基礎題1.甲烷分子的立體構型甲烷（CH?）分子中，碳原子采用sp3雜化，形成四個完全等同的C-Hσ鍵。請回答：（1）甲烷分子的空間構型為__________，鍵角為__________。（2）若將甲烷分子中的一個氫原子替換為氯原子，得到一氯甲烷（CH?Cl），其分子的對稱性是否改變？簡述理由。解析：（1）正四面體；109°28′。（2）改變。甲烷分子中四個C-H鍵完全對稱，而一氯甲烷中C-Cl鍵與C-H鍵的鍵長和電負性差異導致分子對稱性降低，構型變?yōu)樽冃嗡拿骟w。2.乙烯分子的共面問題乙烯（C?H?）分子中，兩個碳原子均采用sp2雜化，分子中存在一個C=C雙鍵和四個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（C）若乙烯分子中一個氫原子被甲基（-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sp2雜化軌道形成平面三角形結構，雙鍵碳原子及所連四個氫原子共平面。（B）錯誤。π鍵由p軌道側面重疊形成，旋轉會導致重疊破壞，因此雙鍵不能自由旋轉。（C）錯誤。甲基中的碳原子為sp3雜化，呈四面體結構，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，孤電子對數為1，分子構型為三角錐形，鍵角約107°。（2）H?O：中心O原子為sp3雜化，孤電子對數為2，分子構型為V形，鍵角約104.5°。（3）CO?：中心C原子為sp雜化，無孤電子對，分子構型為直線形，鍵角180°。鍵角大小順序：CO?＞NH?＞H?O。孤電子對間的斥力大于成鍵電子對，導致鍵角隨孤電子對數增加而減小。4.配合物的空間結構配合物[Cu(NH?)?]2?中，Cu2?的配位數為4，NH?為配體。若該配合物的空間構型為平面正方形，則Cu2?的雜化類型為__________；若為正四面體，則雜化類型為__________。實驗測得該配合物具有順磁性，且存在幾何異構體，推斷其實際構型為__________。解析：sp2；sp3；平面正方形。Cu2?的價電子構型為3d?，若為sp3雜化（四面體構型），電子云分布對稱，無幾何異構體；若為sp2雜化（平面正方形），則存在順式（相鄰NH?）和反式（相對NH?）兩種異構體，且未成對電子導致順磁性。三、晶體結構計算題5.NaCl晶胞分析NaCl晶體的晶胞結構如圖所示（鈉離子位于頂點和面心，氯離子位于棱心和體心）。（1）每個晶胞中含鈉離子（Na?）的數目為__________，氯離子（Cl?）的數目為__________。（2）若晶胞參數（邊長）為apm，計算NaCl晶體的密度（用N?表示阿伏伽德羅常數）。解析：（1）Na?：8×1/8（頂點）+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.金剛石與石墨的結構差異（1）金剛石中每個碳原子與__________個相鄰碳原子形成共價鍵，晶體中最小碳環(huán)含__________個碳原子。（2）石墨晶體中，層內碳原子采用__________雜化，層間通過__________結合。解釋石墨具有導電性的原因。解析：（1）4；6。（2）sp2；范德華力。石墨層內每個碳原子的未雜化p軌道相互平行重疊，形成離域大π鍵，電子可在層內自由移動，因此具有導電性。四、立體異構與空間想象題7.二氯甲烷的同分異構體甲烷分子為正四面體構型，若其二取代物（CH?Cl?）存在兩種結構（相鄰或相對），則可證明甲烷為平面正方形。實際CH?Cl?是否存在同分異構體？用空間構型原理解釋。解析：不存在。正四面體構型中，四個氫原子完全等同，任意兩個氫原子被取代后，分子結構均相同（無相鄰或相對之分）。若為平面正方形，則會出現(xiàn)鄰位和對位兩種同分異構體，與實驗事實矛盾。8.順反異構判斷下列有機物中，哪些存在順反異構？（A）CH?=CHCH?（B）CH?CH=CHCH?（C）CH?CH=CHCl解析：（B）和（C）存在順反異構。順反異構的條件是雙鍵碳原子所連的兩個基團不同。（A）中一個雙鍵碳原子連有兩個氫原子，無異構；（B）中雙鍵碳原子分別連有CH?和H，存在順式（兩個CH?同側）和反式（兩個CH?異側）；（C）中雙鍵碳原子分別連有CH?、H和Cl、H，存在順反異構。五、晶體結構綜合題9.鈣鈦礦晶胞分析鈣鈦礦（CaTiO?）的晶胞結構如圖所示，Ca2?位于頂點，Ti??位于體心，O2?位于面心。（1）寫出鈣鈦礦的化學式，并說明理由。（2）若晶胞邊長為anm，計算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，化學式為CaTiO?。（2）Ti??位于體心，O2?位于面心，最短距離為晶胞面對角線的一半，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。從晶體結構角度解釋二者穩(wěn)定性差異的原因。解析：石墨比金剛石穩(wěn)定。石墨中層內碳原子通過sp2雜化形成共價鍵，鍵長較短（142pm），層間通過范德華力結合；金剛石中碳原子為sp3雜化，鍵長較長（154pm）。燃燒熱數據表明，金剛石能量更高，更不穩(wěn)定。六、分子構型與性質應用題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鍵極性對稱抵消。（2）非極性分子。SF?為正八面體構型，S-F鍵極性完全抵消。（3）極性分子。H?O為V形結構，O-H鍵極性無法抵消，分子正負電荷中心不重合。12.氫鍵對分子構型的影響水分子（H?O）和硫化氫（H?S）的分子構型均為V形，但H?O的沸點（100℃）遠高于H?S（-60.7℃）。解釋這一現(xiàn)象，并說明氫鍵對H?O分子空間結構的影響。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，沸點升高。氫鍵的方向性（O-H…O夾角約180°）和飽和性（每個O原子最多形成2個氫鍵）導致冰晶體中水分子形成四面體結構，密度小于液態(tài)水。七、拓展探究題13.fullerene（C??）的結構C??分子由12個正五邊形和20個正六邊形組成，形似足球。每個碳原子與周圍3個碳原子相連，形成σ鍵和離域π鍵。（1）計算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。每個碳原子形成3個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.配合物異構體數目計算配合物[Co(NH?)?Cl?]Cl有兩種幾何異構體（順式和反式）。若將其中兩個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體？解析：4種。該配合物為八面體構型，兩個NH?、兩個H?O和兩個Cl?在八面體頂點的排布方式如下：兩個NH?相鄰，兩個H?O相鄰，兩個Cl?相鄰；兩個NH?相鄰，兩個H?O相對，兩個Cl?相鄰；兩個NH?相對，兩個H?O相鄰，兩個Cl?相鄰；兩個NH?相對，兩個H?O相對，兩個Cl?相對。八、鍵角與構型關系題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，但存在一對孤電子對，斥力導致鍵角減?。s115°）。（2）CH?＞NH?＞H?O。中心原子均為sp3雜化，孤電子對數依次為0、1、2，孤電子對斥力大于成鍵電子對，鍵角依次減小（109°28′→107°→104.5°）。16.等電子體構型判斷已知CO?與N?O互為等電子體，SO?2?與PO?3?互為等電子體。推測N?O和PO?3?的空間構型。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，正四面體構型，因此PO?3?為正四面體。九、實驗與模型結合題17.分子模型搭建分析用球棍模型搭建SF?分子時，發(fā)現(xiàn)硫原子周圍有6個氟原子，形成正八面體構型。若將其中一個F原子替換為Cl原子，得到SF?Cl，該分子是否存在同分異構體？用模型說明理由。解析：不存在。正八面體構型中，6個頂點完全等同，任意一個頂點被替換后結構相同，因此SF?Cl無同分異構體。18.晶體密度計算已知金屬銅（Cu）的晶胞為面心立方結構，棱長a=361.5pm，Cu的摩爾質量為64g/mol，計算銅晶體的密度（N?=6.02×1023mol?1）。解析：每個晶胞含Cu原子數=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、綜合應用題19.藥物分子的手性異構某藥物分子結構如圖所示，分子中存在一個手性碳原子（連接四個不同基團）。（1）用“*”標出該手性碳原子。（2）若該藥物的左旋體具有藥效，右旋體無活性，工業(yè)合成中如何控制產物的立體構型？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稱合成方法，通過控制反應過渡態(tài)的立體構型，優(yōu)先生成左旋體。20.石墨插層化合物石墨層間可插入金