Question

【题目】2017年5月海底天然气水合物(俗称“可燃冰”)试采成功，这是我国能源开发的一次历史性突破。一定条件下，CH4和CO2都能与H2O形成如下图所示的笼状结构(表面的小球是水分子，内部的大球是CH4分子或CO2分子；“可燃冰”是CH4与H2O形成的水合物)，其相关参数见下表。

(1)CH4和CO2所含的三种元素电负性从大到小的顺序为_______；碳原子的最高能级的符号是_______，其电子云形状是_______。

(2)CO2分子中碳原子的杂化轨道类型为_______，分子的立体构型为_____。CO2与SO2相同条件下在水中的溶解度较大的是SO2，理由是________。

(3)为开采海底的“可燃冰”，有科学家提出用CO2置换CH4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_______。

(4)“可燃冰”中分子间存在的作用力是氢键和_________，上图中最小的环中连接的原子总数是_______。

(5)水在不同的温度和压力条件下可形成11种不同结构的晶体，密度从比水轻的0.92g/cm3到约为水的1.5 倍。冰是人们迄今已知的由一种简单分子堆积出结构花样最多的化合物。其中冰- Ⅶ的晶体结构为一个如图所示的立方晶胞，每个水分子与周围4个水分子以氢键结合。设O-H…O距离为apm，阿伏加德罗常数的值为NA，则该冰- Ⅶ晶体的密度为____ g/cm3(列出计算式即可)。

Answer 1

【答案】 O＞C＞H 2p 哑铃形 sp 直线型 SO2为极性分子，CO2为非极性分子，H2O为极性溶剂，极性分子易溶于极性溶剂，故SO2的溶解度较大 CO2的分子直径小于笼状空腔直径，且与H2O的结合力大于CH4 范德华力 10

【解析】（1）一般来说，元素的非金属性越强，电负性越强，所以顺序为：O＞C＞H。碳为第6号元素，原子核外有6个电子，其最高能级为2p。p电子云的形状是哑铃形。

（2）根据价层电子对互斥理论，CO2的中心原子C的价电子对为2+（4-2×2）=2对，所以CO2的空间构型为直线型，C的杂化类型为sp杂化。CO2为直线型分子，所以是非极性分子，而SO2为折线形，所以是极性分子，根据相似相溶的原理，SO2在极性溶剂（水）中的溶解度更大。

（3）已知上图中笼状结构的空腔直径为0.586nm，根据上述图表，得到CO2分子的直径小于空腔直径，可以嵌入笼状结构中，同时二氧化碳与水分子的结合能高于甲烷，说明二氧化碳更易于与水结合，有可能将已经嵌入笼中的甲烷置换出来。

（4）分子之间存在的力除氢键以外，只可能是范德华力。图中最小的环是由5个水分子通过氢键构成的，其结构为，其中虚线代表氢键，实线代表共价键，所以最小的环中连接的原子为10个。

（5）该晶胞中含有的水分子为：8× + 1×1=2个，所以晶胞的质量为2×18÷NA= g。从图中得到O-H…O距离为该立方体晶胞的体对角线长度的一半，所以得到该晶胞的边长为，所以密度为 g/cm3。