Question

【题目】O2、O3、N2、N4是氧和氮元素的几种单质。回答下列问题：

（1）O原子中价电子占据的轨道数目为__________________。

（2）第一电离能I1：N____O(填“>”或“<”),第二电离能I2：O大于N的原因是__________________。

（3）O3的空间构型为_________________；是_____________(填“极性”或“非极性”)分子；分子中存在的大π键，可用符号表示，其中m表示形成的大π键的原子数，n表示形成的大π键的电子数，则O3中大π键应表示为_______________________。

（4）N元素的简单气态氢化物NH3在H2O中溶解度很大，其原因之一是NH3和H2O可以形成分子间氢键，则在氨水中氢键可以表示为H3N…H-N、___________、____________ （任写两种即可）。

（5）已知：如下键能和键长数目。

化学键	键长/pm	键能/
N-N	145	193
N=N	125	418
NN	110	946

N2和N4都是N元素的单质，其中N4是正面体构型，N原子占据四面体的四个顶点，从键参数角度分析N4分子稳定性远小于N2原因是________________________________________。

（6）Na2O的晶胞结构如下图所示，X表示O2-，Y表示Na+，则O2-的配位数为_______________，该晶胞的原子空间利用率为_______________；(已知该晶胞的棱长为apm，r(Na+)=xpm，r(O2-)=ypm)。

Answer 1

【答案】 4 > 失去一个电子后O+的2p处于半充满状态，更加稳定，再失去一个电子消耗能量更高 V形 极性 H3N…H-O、H2O…H-N H2O…H-O N4中N-N键能小于N2中的NN，键长大于NN 8 ×100%

【解析】分析：（1）根据原子核外电子排布式及一个原子轨道最多容纳2个电子解答。

（2）电离能是基态的气态原子失去电子变为气态阳离子，必须克服核电荷对电子的引力而所需要的能量；第一电离能是原子失去一个电子，而第二电离能则是失去外层第二个电子；可根据元素性质(活泼性)判断。

（3）臭氧中O原子以sp2杂化轨道形成σ键，分子形状为V形，形成三中心四电子大π键。

（4）N原子与其他分子的H原子之间可形成分子间氢键，O原子与其他分子的H原子之间也可形成分子间氢键。

（5）键长越小，说明原子核之间的距离小，键能越大，拆开化学键需要的能量高，稳定性越高，由此入手分析。

（6）结合晶胞结构，以处于面心上的O2-周围Na+数为例分析O2-的配位数比较容易理解；先计算晶胞中的微粒的体积，再计算晶胞体积，二者的体积百分比即是空间利用率。

详解：（1）O原子的价电子排布式为2s22p4，其价电子占据的4原子轨道。

（2）同周期从左到右第一电离能呈增大趋势，但N的电子排布最外层p能级三个轨道各有一电子，处于半充满状态，比较稳定，所以第一电离能I1：N>O；O失去一个电子后O+的2p处于半充满状态，更加稳定，再失去一个电子消耗能量更高，所以第二电离能I2：O>N。

（3）O3看成一个O原子是中心原子，其他两个O原子为配原子的三原子分子，价电子对数=2+1/2(6-2×2)=3，有一个孤电子对，属于sp2杂化，空间构型为V形；因为V形空间构型正负电荷重心不重合，所以是极性分子；O原子的轨道表示式为：，O3中心氧原子采取sp2杂化，其中两个单电子轨道与另外两个原子形成两个σ键，第三个轨道有一对孤电子对，与另两个氧原子的各1个电子形成三中心四电子大π键，可用符号表示。

（4）因为O、N原子有比较强的吸电子能力，所以NH3和H2O既会吸引同种分子的H，又会吸引对方分子的H，从而形成氢键，所以在氨水中存在4种分子间氢键，可以表示为：H3N…H-N、H3N…H-O、H2O…H-N、H2O…H-O。

（5）因为N4是正面体构型，N原子占据四面体的四个顶点，所以N4中只存在N-N，而N2中只存在NN，由表中数据可知，N-N键长大于NN键长，N-N键能小于NN键能，且二者键能差距较大，所以N4分子稳定性远小于N2。

（6）分析Na2O的晶胞结构图可得，处于面心上的O2-被2个晶胞共用，以图中上面的面心O2-为例，在其上方还有一个同样的晶胞与其紧邻，所以每个O2-周围有8个Na+与之最近距离，则O2-的配位数为8；Na2O晶胞中Na+数为8，O2-数为：8×+6×=4，根据r(Na+)=xpm、r(O2-)=ypm及球体的体积公式可得：这12个原子总体积V1=8××πx+4××πy，根据该晶胞的棱长为apm，则晶胞体积为：V2=a3，所以该晶胞的原子空间利用率为：V1÷V2×100%=（8××πx+4××πy）÷a3×100%=×100%。