Question

3．納米技術制成的金屬燃料、非金屬固體燃料、氫氣等已應用到社會生活和高科技領域．
（1）A和B的單質單位質量的燃燒熱大，可用作燃料．已知A和B為短周期元素，其原子的第一至第四電離能如下表所示：

電離能kJ•mol-1	I1	I2	I3	I4
A	932	1 821	15 390	21 771
B	738	1 451	7 733	10 540

①某同學根據上述信息，某同學推斷B的核外電子排布如圖1所示，該同學所畫的電子排布圖違背了能量最低原理．

②根據價層電子對互斥理論，預測A和氯元素形成的簡單分子空間構型為直線形．A原子雜化類型是sp．
（2）氫氣作為一種清潔能源，必須解決它的儲存問題，C₆₀可用作儲氫材料．
①已知金剛石中的C-C的鍵長為154.45pm，C₆₀中C-C鍵長為145～140pm，有同學據此認識C₆₀的熔點高于金剛石，你認為是否正確不正確理由是因為C₆₀構成的晶體是分子晶體，影響分子晶體熔點的作用是分子間作用力；而金剛石構成的晶體是原子晶體，影響原子晶體熔點的作用是原子間共價鍵，共價鍵作用大大與分子間作用力，因此金剛石的熔點高于C₆₀．
②科學家把C₆₀和K摻雜在一起制造了一種富勒烯化合物，其晶胞如圖2所示，該物質在低溫時是一種超導體．該物質的K原子和C₆₀分子的個數比為3：1．晶胞中每個C₆₀分子周圍與之等距離且最近的C₆₀分子數是6．
③繼C₆₀后，科學家又合成了Si₆₀、N₆₀；C、Si、N原子電負性由大到小的順序是N＞C＞Si．Si₆₀分子中每個硅原子只跟相鄰的3個硅原子形成共價鍵，且每個硅原子最外層都滿足8電子穩(wěn)定結構，則Si₆₀分子中π鍵的數目為30．
（3）1986年，瑞士兩位科學家發(fā)現一種性能良好的金屬氧化物超導體，使超導工作取得突破性進展，為此兩位科學家獲得了1987年的Nobel物理學獎．其晶胞結構如圖3．
①根據圖示晶胞結構，推算晶體中Y、Cu、Ba和O原子個數比，其化學式YBa₂Cu₃O₇．
②已知該化合物中各元素的化合價Y為+3價，Ba為+2價，Cu為+2價和Cu為+3價，根據①所推出的化合物的組成，試計算化合物中這兩種價態(tài)Cu原子個數比2：1．
③Ba²⁺的配位數為10．

Answer 1

分析 （1）①根據A、B兩原子的第二、三電離能之間都有1個突躍，它們都是短周期元素推知元素A和元素B；根據核外電子排布所遵循的原理找出電子排布圖的錯誤，
②根據價層電子對互斥理論，求出價層電子對數，得出分子構型及原子的雜化類型；
（2）①根據分子晶體的熔點與共價鍵的鍵能無關；
②根據晶胞的分配原則計算出每個晶胞結構各離子的個數，根據晶胞的結構圖可判斷晶胞中每個C₆₀分子周圍與之等距離且最近的C₆₀分子數；
③根據同一周期，同一主族，元素電負性變化規(guī)律，比較元素電負性大小；根據每個硅原子最外層才滿足8電子穩(wěn)定結構，得出每個硅原子只有$\frac{1}{2}$個π鍵；
（3）①利用均攤法計算晶胞的結構；
②利用化合價代數和為0計算；
③根據晶胞結構圖判斷配位數．

解答 解：（1）①表中A、B兩原子的第二、三電離能之間都有1個突躍，說明它們屬于ⅡA族，又它們都是短周期元素，且A的第一電離能比B大，因此，A為Be元素，B為Mg元素，圖1所示電子排布，根據能量最低原理，最外層兩個電子應全排在s軌道上，
故答案：能量最低原理；
②A和氯元素形成的簡單分子為BeCl₂，根據價層電子對互斥理論 n=$\frac{2+1×2}{2}$=2，分子構型為直線形，Be原子按sp方式雜化，
故答案：直線形；sp；
（2）①盡管C₆₀中C-C鍵的鍵能可能大于金剛石，但其熔化時并不破壞化學鍵，因此比較鍵能沒有意義，
故答案：不正確；因為C₆₀構成的晶體是分子晶體，影響分子晶體熔點的作用是分子間作用力；而金剛石構成的晶體是原子晶體，影響原子晶體熔點的作用是原子間共價鍵，共價鍵作用大大與分子間作用力，因此金剛石的熔點高于C₆₀；
②在晶胞中，K原子在面心上和C₆₀分子在頂點和中心，則其個數比為$\frac{12×\frac{1}{2}}{8×\frac{1}{8}+1}$=3：1，根據晶胞的結構圖可知，以晶胞頂點上的C₆₀為例，C₆₀分子周圍與之等距離且最近的C₆₀分子位于晶胞相鄰的頂點，共有6個，
故答案：3：1；6；
③同一周期，從左到右，電負性逐漸增大，同一主族，從上到下，電負性逐漸減小，因此，原子電負性由大到小的順序是：N＞C＞Si，根據題意，每個硅形成的這3個鍵中，必然有1個雙鍵，這樣每個硅原子最外層才滿足8電子穩(wěn)定結構．顯然，雙鍵數應該是Si原子數的一半，而每個雙鍵有1個π鍵，顯然π鍵數目為30．
故答案：N＞C＞Si；30；
（3）①結合晶胞圖再根據均攤法可知，在一個晶胞中含有Y原子數為1，Cu原子數為8×$\frac{1}{4}$+8×$\frac{1}{8}$=3，Ba原子數為2，O原子數為的個數為8×$\frac{1}{2}$+12×$\frac{1}{4}$=7，所以Y、Cu、Ba和O的個數比為1：3：2：7，所以化學式為YBa₂Cu₃O₇；
故答案為：YBa₂Cu₃O₇；
②根據化合價代數和為0可知，Cu的平均化合價為+$\frac{2×7-3-2×2}{3}$=+$\frac{7}{3}$，
設晶胞平均含有x個Cu²⁺，ygCu³⁺，
則有：$\left\{\begin{array}{l}{x+y=3}\\{2x+3y=2×7-3-2×2}\end{array}\right.$，解之得x=2，y=1，
所以：Cu²⁺：Cu³⁺=2：1．
故答案為：Cu²⁺：Cu³⁺=2：1；
③根據晶胞結構圖可知，Ba²⁺的周圍距離最近的氧原子有10個，所以Ba²⁺的配位數為10，
故答案為：10．

點評 本題主要考查了電離能、電負性、電子排布圖、分子的空間構型、晶胞的計算等，試題涉及的知識點較多，側重于物質結構知識的綜合考查，題目難度中等．