Question

5．利用所学化学知识解答问题：
（1）基态Cu²⁺的核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁹，在高温下CuO 能分解生成Cu₂O，试从原子结构角度解释其原因：结构上Cu²⁺为3d⁹，而Cu⁺为3d¹⁰全充满更稳定．根据元素原子的外围电子排布特征，可将周期表分成五个区域，元素Cu属于ds区．
（2）下列叙述不正确的是ac．（填字母）
a．HCHO和CO₂分子中的中心原子均采用sp杂化
b．因为HCHO与水分子间能形成氢键，所以HCHO易溶于水
c．C₆H₆分子中含有6个σ键和1个大π键，C₂H₂是非极性分子
d．CO₂晶体的熔点、沸点都比二氧化硅晶体的低，原因是CO₂为分子晶体而二氧化硅是原子晶体
（3）氰酸（HOCN）是一种链状分子，它与异氰酸（HNCO）互为同分异构体，其分子内各原子最外层均已达到稳定结构，试写出氰酸的结构式N≡C-O-H．其中的C的杂化类型为sp杂化，写出一种与 CN^-互为等电子体的单质分子式N₂．
（4）Fe原子或离子外围有较多能量相近的空轨道能与一些分子或离子形成配合物．
①与Fe原子或离子形成配合物的分子或离子应具备的结构特征是具有孤对电子．
②六氰合亚铁离子[Fe（CN）₆]^4-中不存在b．
a．共价键      b．非极性键        c．配位键        d．σ键       e．π键
（5）立方氮化硼是一种新型的超硬、耐磨、耐高温的结构材料，其晶胞结构与金刚石类似，一个该晶胞中含有4个氮原子，4个硼原子，设氮原子半径为a pm，硼的原子半径b pm，求该晶胞的空间利用率$\frac{{\sqrt{3}π（{{a^3}+{b^3}}）}}{{4{{（{a+b}）}^3}}}$×100%．（用含a、b的代数式表示）

Answer 1

分析 （1）Cu元素原子核外电子数为29，其基态原子的电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁴3d¹⁰4s¹，Cu原子失去4s、3d能级的1个电子形成Cu²⁺；根据构造原理书写Cu⁺基态核外电子排布式，轨道处于全空、半满或全满时最稳定；根据Cu的外围电子排布式分析；
（2）A、HCHO中的中心原子为sp²杂化；
B、甲醛中含有羟基，与水可以形成氢键；
C、苯中碳碳键含有6个σ键，每个碳氢键含有一个σ键，苯分子中一共含有12个，故C错误；
D、分子晶体晶体的熔点、沸点比原子晶体低；
（3）碳为四价，氮为三价，氧为两价，氰酸（HOCN）是一种链状分子，且其分子内各原子最外层均已达到稳定结构，故N≡C-O-H；氰酸中C原子形成2个σ键、没有孤电子对；CN^-中C原子与1个单位负电荷用N原子替换可得CN^-等电子体的单质；
（4）①形成配离子具备的条件为：中心原子具有空轨道，配体具有孤对电子对；
②六氰合亚铁离子[Fe（CN）₆]^4-中Fe²⁺与CN^-形成配位键，CN^-中存在C≡N三键，为极性共价键，三键中有1个σ键2个π键；
（5）根据均摊法计算晶胞中B、N原子数目，进而计算晶胞中含有B、N原子总体积，计算晶胞的体积，晶胞的空间利用率=$\frac{晶胞中B、Ni原子总体积}{晶胞体积}$×100%．

解答 解：（1）Cu元素原子核外电子数为29，其基态原子的电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，Cu原子失去4s、3d能级的1个电子形成Cu²⁺，Cu²⁺的核外电子排布式为：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁹；Cu⁺基态核外电子排布式1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰或[Ar]3d¹⁰ ，原子轨道处于全空、半满或全满时最稳定，结构上Cu²⁺为3d⁹，而Cu⁺为3d¹⁰全充满更稳定；Cu的外围电子排布式为3d¹⁰4s¹，Cu属于第IB族元素，在周期表中位于ds区；
故答案为：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁹；结构上Cu²⁺为3d⁹，而Cu⁺为3d¹⁰全充满更稳定；ds；
（2）a．HCHO中的中心原子为sp²杂化，故a错误；
b．因为HCHO与水分子间能形成氢键，所以HCHO易溶于水，故b正确；
c．苯中碳碳键含有6个σ键，每个碳氢键含有一个σ键，苯分子中一共含有12个σ键，故c错误；
d．CO₂为分子晶体，二氧化硅是原子晶体，所以CO₂晶体的熔点、沸点都比二氧化硅晶体的低，故d正确；
故答案为：ac；
（3）碳为四价，氮为三价，氧为两价，氰酸（HOCN）是一种链状分子，且其分子内各原子最外层均已达到稳定结构，故N≡C-O-H；氰酸中C原子形成2个σ键、没有孤电子对，C的杂化类型为sp杂化；CN^-中C原子与1个单位负电荷用N原子替换可得CN^-等电子体的单质为N₂，
故答案为：N≡C-O-H；sp杂化；N₂；
（4）①形成配离子具备的条件为：中心原子具有空轨道，配体具有孤对电子对；
故答案为：具有孤对电子；
②六氰合亚铁离子[Fe（CN）₆]^4-中Fe²⁺与CN^-形成配位键，CN^-中存在C≡N三键，为极性共价键，三键中有1个σ键2个π键，所以CN^-中共价键、配位键、σ键、π键；
故答案为：b；
（5）方氮化硼晶胞结构与金刚石类似，晶胞结构图为，B占据立方体的8个顶点和6个面心，所以B原子数目为=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，N原子数目=4；B原子半径为bpm，则晶胞中B原子总体积=4×$\frac{4}{3}$×π×（b）³pm³=$\frac{16}{3}$πb³pm³，N原子半径为a pm，则晶胞中N原子总体积=4×$\frac{4}{3}$×π×（a）³pm³=$\frac{16}{3}$πa³cm³，故晶胞中B、N原子总体积=$\frac{16}{3}$π（a³+b³）pm³，根据硬球接触模型可知，体对角线四分之一处的原子与顶点上的原子紧贴，设晶胞边长为x，所以$\frac{1}{4}$×（$\sqrt{3}$x）=a+b，x=$\frac{4}{\sqrt{3}}$（a+b），晶胞体积=x³=$\frac{64}{3\sqrt{3}}$（a+b）³pm³，所以间利用率=$\frac{\frac{16}{3}π（{a}^{3}+{b}^{3}）p{m}^{3}}{\frac{64}{3\sqrt{3}}（a+b）^{3}pm{\;}^{3}}$×100%=$\frac{\sqrt{3}π（{a}^{3}+{b}^{3）}}{4（a+b）{\;}^{3}}$×100%；
故答案为：4；4；$\frac{{\sqrt{3}π（{{a^3}+{b^3}}）}}{{4{{（{a+b}）}^3}}}$×100%．

点评 本题是对物质结构知识的综合考查，涉及核外电子排布规律、分子结构与性质、杂化轨道、晶胞计算、空间利用率的计算等，需要学生具有一定的空间想象与数学计算能力，题目难度中等．