1 宣道中學
化學測驗 能學和化學鍵
S.6S 15/5/2009
1. 試由下列數據計算氯化鈉 (sodium chloride) 的生成熱 (heat of formation)： (a) NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(ℓ) ∆Ho
= -57.3 kJ mol-1 (b) H2(g) + ½O2(g) → H2O(ℓ) ∆Ho
= -286 kJ mol-1 (c) ½H2(g) + ½Cl2(g) + aq → HCl(aq) ∆Ho
= -162.2 kJ mol-1 (d) Na(s) + ½O2(g) + ½H2(g) + aq → NaOH(aq) ∆Ho
= -450.0 kJ mol-1 (e) NaCl(s) + aq → NaCl(aq) ∆Ho
= +15.3 kJ mol-1
2. 原子半徑 (atomic radius) 和電離焓 (enthalpy of ionization) 是與電子組態 (electronic configuration) 有關的原子性質 (atomic properties)。
(a) 以下座標圖顯示從鈉 (sodium) 至氯 (chlorine) 的第 3 週期元素 (elements of the 3rd period)原子半徑的變化。
(i) 你怎樣理解「氯的原子半徑」一詞？
(ii) 簡略解釋以上座標圖的形狀。
(b) 繪一座標圖以顯示從鈉至氯的第 3 週期元素第一電離焓 (first ionization enthalpy) 的變化。簡略解釋所繪的座標圖的形狀。
2 3. 氮 (nitrogen) 形成一種氯化物，NCl3 (a) 試以電子對的相斥作用 (VSEPR) 解釋 NCl3 的形狀。 (b) 氮只形成一種氯化物 (chloride) 但磷 (phosphorus) 卻可形成兩種氯化物，PCl3 及 PCl5，試解釋之。 (c) 畫出 PCl5 的分子形狀。
(d) 三種元素的負電性 (鮑林標度) (electronegativity, Pauling’s scale) 的數值如下： N：3.0 Mg：1.2 F：4.0
試解釋為何 NF3 是共價化合物 (covalent compound) 而 MgF2 是離子化合物 (ionic compound)。
4. 原子在金屬的排佈可以用球體的緊密裝填 (close packing) 來描述。 (a) abcabcabc…描述哪一種緊密裝填結構 (close packed structure)？
在下圖，用 T 作標記，指出一個四面體洞 (tetrahedral hole)，又用 O 作標記，指出 一個八面體洞 (octahedral hole)。
(b) 描述金屬晶體 (metallic crystal) 的鍵合 (bonding)。 (c) 下列三個以 kJ mol-1 做單位的能域 (energy regions) 5 – 100 200 – 700 800 - 1500 哪一個最可能是 M(s) → M(g) 的變化的能域 (M 是一種金屬)？ 5. (a) 描述在冰和在固體 SiO2 中的鍵合和分子間作用力。 (b) 要熔融這兩種固體必須克服甚麼種類的相互作用？
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6. 簡略地描述下列的每種分子間引力 (intermolecular force)，並各舉出一個適當的例子來 說明你的答案。
偶極偶極 (dipole-dipole) 的相互作用 氫鍵 (hydrogen bond)
范德華力 (van der Waals force)
7. 以下是化合物 X 的相圖 (phase diagram)。
(a) 說出
(i) 固體 X 昇華 (sublime) 的條件，及
(ii) 化合物 X 以液態 (liquid state) 形式存在的條件。
(b) 若壓強 (pressure) 由第 1 點逐漸增加至第 3 點，試描述有何會發生。 (c) 描述 B 點的狀態 (state)。
4 1. Na(s) + ½Cl2(g) → NaCl(s) ∆Hfo = (d) + (c) - (e) + (a) - (b) = (-450.0) + (-162.2) - (+15.3) + (-57.3) - (-286) = +398.5 kJ mol-1 2. (a) (i) 以共價鍵相連的氯原子間核距的一半。 (ii) 同週期元素由左至右，核內質子數增加所產生的效應大於因最外層多一粒 電子產生的效應。所以最外層電子所感受的吸力較強，半徑減少。 (b) 第一電離焓由 Na 至 Mg，由 Al 至 P ，由 S 至 Cl 漸增。因為隨原子序的增加而原 子半徑漸減，令最外層電子所感受的吸力漸增。 第一電離焓： Mg > Al，P > S。 因為 Mg 的電子組態 [Ne] 3s2 和 P 的電子組態 Ne] 3s23p3。前者具全滿電子亞層而 後者具半滿電子亞層，它們都有額外的穩定作用。所以較難將 Mg 原子或 P 原子 電離。 (c) 鉀的第一電離焓較小。因為鉀有多一層電子層，所以最外層電子所感受到的吸引 力較弱。
5 3. (a) NCl3 的中央原子周圍有三對鍵合電子對和一對孤偶電子，根據電子對的相斥作 用，它們會以正四面體形分佈。 所以呈三角錐形。 (b) 氮並沒有低能量、空的 3d 軌態可將電子提升以擴大其結合能量，所以氮只能形成 一種氯化物 NCl3。但磷具有低能量、空的 3d 軌態，它可以將 3s2 的一粒電子的提 升至 3d 軌態，形成PCl5。 有三粒未成對電子，形成PCl3 有五粒未成對電子，形成PCl5 (c) (d) 氮和氟的負電性差 = 4.0 – 3.0 = 1.0 鎂和氟的負電性差 = 4.0 - 1.2 = 2.8 由於前者差值較少，表示大家對鍵合電子對的吸引力相差不大，以共用鍵合電子 對形式結合。 但後者的差值較大，表示氟對鍵合電子對的吸力遠大於鎂，鍵合電子對便轉移到 氟，所以形成離子化合物。 4. (a) 立方緊密裝填 (或稱面心立方體) (b) 金屬晶格中，每個金屬離子均浸在自由流動價電子形成的電子海中。這種存在於 陽離子和電子海之間的靜電引力，便是金屬鍵。 (c) 200 - 700 kJ mol-1
6 5. (a) 冰的分子間作用力為氫鍵，分子內的氫與氧以共價鍵結合。 SiO2 是共價網狀晶體。硅原子與氧原子以共價鍵相連，以正四面體形排列。 (b) 冰熔化時，須克服氫鍵。 在熔化 SiO2 時，須克服共價鍵。 6. 偶極偶極 的相互作用：極性分子間的吸引力。 例如： HCl 氫鍵 當氫與一強負電性的原子成鍵後，此氫原子能與另一擁有孤偶電子的強負電 性元素形成一強作用力，稱為氫鍵。 如 HF 范德華力 非極性分子間的瞬時偶極誘發偶極間的吸引力。 例如：二氧化碳、貴氣體。
7. (a) (i) 壓強低於 5.11 atm。
(ii) 壓強低於 5.11 atm，溫度在 -56.4°C 至 31.1 °C 之間。 (b) 第 1 點 化合物 X 以氣態形式存在。 第 2 點 化合物 X 氣體逐漸凝固變為固體。 第 3 點 化合物 X 以固態形式存在。 (c) B 點 化合物的氣態、液態和固態三者平衡共存的狀態。 (d) 當溫度高於 C 點 (臨界點) 的溫度 (即 31.1ºC)。化合物 X 只能以氣態形式存在，不 論壓強有多大，也無法使氣態的化合物 X 液化。
