[化学-物质结构与性质]（13分）科学家正在研究温室气体…_2015福建高考化学第31题答案解析 | 高考真题检索

Question

31． [化学-物质结构与性质]（13分）科学家正在研究温室气体 $\mathrm { C H } _ { 4 }$ 和 $\mathrm { C O } _ { 2 }$ 的转化和利用。（1） $\mathrm { C H } _ { 4 }$ 和 $\mathrm { C O } _ { 2 }$ 所含的三种元素电负性从小到大的顺序为 o （2）下列关于 $\mathrm { C H } _ { 4 }$ 和 $\mathrm { C O } _ { 2 }$ 的说法正确的是 \_(填序号)。 a．固态 $\mathrm { C O } _ { 2 }$ 属于分子晶体 b $\mathrm { C H } _ { 4 }$ 分子中含有极性共价键，是极性分子 c．因为碳氢键键能小于碳氧键，所以 $\mathrm { C H } _ { 4 }$ 熔点低于 $\mathrm { C O } _ { 2 }$ d $\mathrm { C H } _ { 4 }$ 和 $\mathrm { C O } _ { 2 }$ 分子中碳原子的杂化类型分别是 $\mathsf { s p } ^ { 3 }$ 和 $\boldsymbol { \mathrm { s p } }$ （3）在Ni基催化剂作用下， $\mathrm { C H } _ { 4 }$ 和 $\mathrm { C O } _ { 2 }$ 反应可获得化工原料CO和 $\mathrm { H } _ { 2 }$ . ①基态Ni原子的电子排布式为 \_\_\_，该元素位于元素周期表的第\_\_\_\_\_族。 ②Ni能与CO 形成正四面体形的配合物 $\mathrm { N i } ( \mathrm { C O } ) _ { 4 } , \mathrm { l m o l } \mathrm { N i } ( \mathrm { C O } ) _ { 4 }$ 中含有\_\_\_molσ 键。（4）一定条件下， $\mathrm { C H } _ { 4 }$ 和 $\mathrm { C O } _ { 2 }$ 都能与 $\mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O }$ 形成笼状结构(如下图所示)的水合物晶体，其相关参数见下表。 $\mathrm { C H } _ { 4 }$ 与 $\mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O }$ 形成的水合物俗称“可燃冰”。 ![](https://zebfdsytobcavmuynuhx.supabase.co/storage/v1/object/public/review-images/tasks/b3ab3aa0-6c10-4e56-8260-5747624fadfd/76a72fed33bb1b32.jpg)

参数分子	分子直径/nm	分子与 ${ \sf H } _ { 2 } \mathrm { O }$ 的结合能E $/ \mathrm { k J } \cdot \mathrm { m o l } ^ { - 1 }$
$\mathrm { C H } _ { 4 }$	0.436	16.40
$\mathrm { C O } _ { 2 }$	0.512	29.91

①“可燃冰”中分子间存在的 2种作用力是 o ②为开采深海海底的“可燃冰”，有科学家提出用 $\mathrm { C O } _ { 2 }$ 置换 $\mathrm { C H } _ { 4 }$ 的设想。已知上图中笼状结构的空腔直径为0. 586nm，根据上述图表，从物质结构及性质的角度分析，该设想的依据是【答案】(13 分)①H、 $\mathrm { C } , \ \mathrm { O } ;$ ②a、d；（3）① $\mathrm { 1 s ^ { 2 } 2 s ^ { 2 } 2 p ^ { 6 } 3 s ^ { 2 } 3 p ^ { 6 } 3 d ^ { 8 } 4 s ^ { 2 } }$ 或 $\mathrm { [ A r ] } 3 \mathrm { d } ^ { 8 } 4 \mathrm { s } ^ { 2 }$；VIII；②8。 > （4）①氢键、范德华力； $ extcircled{2} \mathrm { C O } _ { 2 }$ 的分子直径小于笼状空腔直径，且与 $\mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O }$ 的结合力大于 $\mathrm { C H } _ { 4 }$

Accepted Answer

见解析

(1) $\mathrm{CH_4}$ 和 $\mathrm{CO_2}$ 涉及的元素为 H、C、O。根据元素周期律，同周期元素从左到右电负性增大，故 C < O；H 的电负性（2.1）小于 C（2.5）。因此三种元素电负性从小到大的顺序为：H < C < O。

(2)
a. 固态 $\mathrm{CO_2}$（干冰）由 $\mathrm{CO_2}$ 分子通过分子间作用力结合而成，属于分子晶体，正确；
b. $\mathrm{CH_4}$ 分子中 C-H 键为极性键，但分子构型为正四面体，结构对称，正负电荷中心重合，属于非极性分子，错误；
c. $\mathrm{CH_4}$ 和 $\mathrm{CO_2}$ 均为分子晶体，熔点高低取决于分子间作用力的大小，与分子内的共价键键能无关，错误；
d. $\mathrm{CH_4}$ 中 C 原子形成 4 个 $\sigma$ 键，无孤电子对，采用 $sp^3$ 杂化；$\mathrm{CO_2}$ 结构式为 $O=C=O$，C 原子形成 2 个 $\sigma$ 键，无孤电子对，采用 $sp$ 杂化，正确。
故选 ad。

(3)
① Ni 为 28 号元素，基态原子的核外电子排布式为 $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^8 4s^2$ 或 $[Ar]3d^8 4s^2$。Ni 位于元素周期表第四周期第 VIII 族。
② 在配合物 $\mathrm{Ni(CO)_4}$ 中，配体 CO 内部含有一个 $\sigma$ 键（和三键中的两个 $\pi$ 键），中心原子 Ni 与每个配体 CO 之间形成一个配位 $\sigma$ 键。因此，1 个 $\mathrm{Ni(CO)_4}$ 分子中含有 $4 \times (1 + 1) = 8$ 个 $\sigma$ 键。故 1 mol $\mathrm{Ni(CO)_4}$ 中含有 8 mol $\sigma$ 键。

(4)
① “可燃冰”是由水分子形成的笼状结构包裹甲烷分子。水分子之间存在氢键和范德华力，甲烷分子与水分子之间、甲烷分子之间存在范德华力。因此主要存在的两种作用力是氢键和范德华力。
② 要实现用 $\mathrm{CO_2}$ 置换 $\mathrm{CH_4}$，需满足两个条件：一是 $\mathrm{CO_2}$ 能进入笼状空腔，二是 $\mathrm{CO_2}$ 与水的作用力强于 $\mathrm{CH_4}$ 以便稳定存在。
由表中数据可知：
1. $\mathrm{CO_2}$ 分子直径（0.512 nm）小于笼状空腔直径（0.586 nm），说明 $\mathrm{CO_2}$ 可以进入空腔；
2. $\mathrm{CO_2}$ 与 $\mathrm{H_2O}$ 的结合能（29.91 kJ/mol）大于 $\mathrm{CH_4}$ 与 $\mathrm{H_2O}$ 的结合能（16.40 kJ/mol），说明 $\mathrm{CO_2}$ 水合物更稳定。
综上，该设想依据是：$\mathrm{CO_2}$ 的分子直径小于笼状空腔直径，且与 $\mathrm{H_2O}$ 的结合能大于 $\mathrm{CH_4}$。

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