Question

10．原子序數(shù)小于20的X、Y、Z、W四種元素，其中X是形成化合物種類最多的元素之一，Y原子基態(tài)時最外層電子數(shù)是其內層電子總數(shù)的2倍，Z原子基態(tài)時2p原子軌道上有3個未成對的電子，W形成的常見單質既能與強酸反應，又能與強堿反應．回答下列問題：

（1）Y₂X₄分子中Y原子軌道的雜化類型為sp²，1mol Y₂X₄含有σ鍵的數(shù)目為5×6.02×10²³．
（2）元素Y的一種氧化物與元素Z的一種氧化物互為等電子體，元素Z的這種氧化物的分子式是N₂O．
（3）化合物ZX₃在水中的溶解度比化合物YX₄大得多，其主要原因是氨氣可以和水反應，且NH₃分子與水分子間可以形成氫鍵，氨氣與水分子都是極性分子，相似相溶．
（4）請寫出W單質和強堿溶液反應的離子方程式2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO^2-+3H₂↑，W單質的晶體中原子的堆積方式如圖甲所示，其晶胞特征如圖乙所示，原子之間相互位置關系的平面圖如圖丙所示．晶胞中鋁原子的配位數(shù)為12，若已知W的原子半徑為d，N_A代表阿伏加德羅常數(shù)，W的相對原子質量為M，該晶體的密度為$\frac{4M}{{N}_{A}•csaskwq^{3}}$ （用字母表示）．
（5）立方ZnS晶胞結構如圖丁所示：，立方體的頂點和面心位置為Zn²⁺，則Zn²⁺的配位數(shù)為4，若其晶胞邊長為a pm，a位置Zn²⁺與b位置S^2-之間的距離為$\frac{\sqrt{3}}{4}$a  pm（列式表示）．

Answer 1

分析 原子序數(shù)小于20的X、Y、Z、W四種元素，Y原子基態(tài)時最外層電子數(shù)是其內層電子總數(shù)的2倍，最外層電子數(shù)不超過8，原子只能有2個電子層，最外層電子數(shù)為4，故Y為C元素；X是形成化合物種類最多的元素之一，原子序數(shù)小于碳，故X為H元素；Z原子基態(tài)時2p原子軌道上有3個未成對電子，原子核外電子排布為1s²2s²2p⁶，則Z為N元素；W形成的常見單質既能與強酸反應，又能與強堿反應，則W為Al．
（1）C₂H₄分子碳原子形成1個C=C雙鍵、2個C-H單鍵，碳原子雜化軌道數(shù)目為3；
（2）原子數(shù)目相等、價電子總數(shù)也相等的微粒互為等電子體；
（3）氨氣能與水發(fā)生反應，NH₃分子與水分子之間形成氫鍵，增大物質的溶解性，氨氣分子與水分子均為極性分子，相似相溶；
（4）鋁與強堿溶液反應生成偏鋁酸鹽與氫氣；Al晶體屬于面心立方密堆積；若已知Al的原子半徑為d，則晶胞棱長為4d×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=2$\sqrt{2}$d，根據(jù)均攤法計算晶胞中Al原子數(shù)目，用阿伏伽德羅常數(shù)表示出晶胞質量，再根據(jù)ρ=$\frac{m}{V}$計算密度；
（5）立方體的頂點和面心位置為Zn²⁺，晶胞中Zn²⁺數(shù)目為6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=4，晶胞中S^2-數(shù)目為4，則二者配位數(shù)相等；
a位置Zn²⁺與b位置S^2-之間的連線處于晶胞體對角線上，且二者之間的距離為晶胞體對角線長度的$\frac{1}{4}$，而晶胞體對角線長度為晶胞邊長的$\sqrt{3}$倍．

解答 解：原子序數(shù)小于20的X、Y、Z、W四種元素，Y原子基態(tài)時最外層電子數(shù)是其內層電子總數(shù)的2倍，最外層電子數(shù)不超過8，原子只能有2個電子層，最外層電子數(shù)為4，故Y為C元素；X是形成化合物種類最多的元素之一，原子序數(shù)小于碳，故X為H元素；Z原子基態(tài)時2p原子軌道上有3個未成對電子，原子核外電子排布為1s²2s²2p⁶，則Z為N元素；W形成的常見單質既能與強酸反應，又能與強堿反應，則W為Al．
（1）C₂H₄分子碳原子形成1個C=C雙鍵、2個C-H單鍵，碳原子雜化軌道數(shù)目為3，碳原子采取sp²雜化，1mol C₂H₄含有σ鍵的數(shù)目為5×6.02×10²³個，
故答案為：sp²；5×6.02×10²³；
（2）元素碳的一種氧化物與元素氮的一種氧化物互為等電子體，為CO₂與N₂O，元素Z的這種氧化物的分子式是N₂O，
故答案為：N₂O；
（3）氨氣能與水發(fā)生反應，NH₃分子與水分子之間形成氫鍵，增大物質的溶解性，而甲烷不能，氨氣分子與水分子均為極性分子，相似相溶，而甲烷為非極性分子，故氨氣的溶解度大于甲烷的，
故答案為：氨氣可以和水反應，且NH₃分子與水分子間可以形成氫鍵，氨氣與水分子都是極性分子，相似相溶；
（4）鋁與強堿溶液反應生成偏鋁酸鹽與氫氣，反應離子方程式為：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO^2-+3H₂↑；Al晶體屬于面心立方密堆積，頂點Al原子與面心Al原子相切，Al原子配位數(shù)為12，若已知Al的原子半徑為d，
則晶胞棱長為4d×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=2$\sqrt{2}$d，晶胞中Al原子數(shù)目為6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=4，則晶胞質量為4×$\frac{M}{{N}_{A}}$，則晶體密度為
4×$\frac{M}{{N}_{A}}$÷d³=$\frac{4M}{{N}_{A}•4gg64om^{3}}$，
故答案為：2Al+2OH^-+2H₂O=2AlO^2-+3H₂↑；12；$\frac{4M}{{N}_{A}•waywqai^{3}}$；
（5）立方體的頂點和面心位置為Zn²⁺，晶胞中Zn²⁺數(shù)目為6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=4，晶胞中S^2-數(shù)目為4，則二者配位數(shù)相等，S^2-的配位數(shù)為4，則Zn²⁺的配位數(shù)也是4，
a位置Zn²⁺與b位置S^2-之間的連線處于晶胞體對角線上，且二者之間的距離為晶胞體對角線長度的$\frac{1}{4}$，而晶胞體對角線長度為晶胞邊長的$\sqrt{3}$倍，即a位置Zn²⁺與b位置S^2-之間的距離為$\frac{\sqrt{3}}{4}$a pm，
故答案為：4；$\frac{\sqrt{3}}{4}$a．

點評 本題以元素推斷為載體，綜合考查物質結構與性質，涉及核外電子排布規(guī)律、雜化方式判斷、化學鍵、等電子體、晶胞結構與計算等，（5）中距離計算為易錯點、難度，需要學生具備一定的空間想象與數(shù)學計算能力，注意掌握利用均攤法進行晶胞有關計算．