Question

5．有机反应中常用镍作催化剂．某镍催化剂中含Ni 64.0%、Al 24.3%、Fe 1.4%，其余为C、H、O、N等元素．
（1）氰酸（HOCN）的结构式是N≡C-O-H，其中碳原子的杂化方式是sp，根据等电子体原理，可推测氰酸根离子的空间构型是直线型．
（2）用Cr₂O₃作原料，铝粉作还原剂的铝热法是生产金属铬的主要方法之一，该反应是一个自发放热反应，由此可判断Cr-O键和Al-O键中Al-O键更强．研究发现气态氯化铝（Al₂Cl₆）是具有配位键的化合物，可溶于非极性溶剂，分子中原子间成键的关系如图所示．由此可知该分子是非极性  （填“极性”或“非极性”）的．请在图中是配位键的斜线上加上箭头．
（3）铁有α、γ、δ三种晶体构型，其中α-Fe单质为体心立方晶体，δ-Fe单质为简单立方晶体．则这两种晶体结构中铁原子的配位数之比是4：3，设α-Fe晶胞边长为a nm，δ-Fe晶胞边长为bnm，则这两种晶体的密度比为2b³：a³．（用a、b的代数式表示）
（4）氧化镍（NiO ）是一种纳米材料，比表面积S（m²/g）是评价纳米材料的重要参数之一（纳米粒子按球形计）． 基态Ni²⁺有2 个未成对电子，已知氧化镍的密度为ρg/cm³；其纳米粒子的直径为Dnm，列式表示其比表面积$\frac{6000}{Dρ}$m²/g．

Answer 1

分析 （1）根据碳为四配位，氮为三配位，氧为两配位确定其结构式；根据价层电子对互斥理论确定其杂化类型；先根据CNO^-电子数为22，与CNO^-互为等电子体微粒为CO₂，CO₂是直线型分子，等电子体的结构相似；
（2）根据反应Cr₂O₃+2Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Cr+Al₂O₃是放热，利用反应热△H=反应物的总键能-生成物的总键能来解答；根据相似相溶原理来解答；先分析铝原子和氯原子的最外层电子，再根据每个原子达到8电子稳定结构分析配位键成键情况；
（3）先判断δ、α两种晶胞中铁原子的配位数，再计算其比值；先根据ρ=$\frac{m}{V}$计算两种晶胞的密度，然后求出两者之比；
（4）先根据Ni的原子序数为28，根据能量最低原理先写出基态原子核外电子排布式，再写出基态Ni²⁺核外电子排布式来判断；先根据球的表面积和体积公式求出纳米粒子的表面积和体积，再结合密度求出质量从而求出比表面积．

解答 解：（1）碳为四配位，氮为三配位，氧为两配位，故氰酸（HOCN）的结构式是N≡C-O-H；氰酸（HOCN）的结构式是N≡C-O-H，中心原子碳原子价层电子对个数=σ键个数+孤电子对个数=2+$\frac{1}{2}$（4-2×2）=2，采取sp杂化；CNO^-电子数为22，与CNO^-互为等电子体微粒为CO₂，CO₂是直线型分子，等电子体的结构相似，所以CNO^-的空间构型是直线型；
故答案为：N≡C-O-H；sp；直线型；
（2）反应Cr₂O₃+2Al$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Cr+Al₂O₃是放热，△H＜O，由反应热△H=反应物的总键能-生成物的总键能可知Cr-O键的键能小于Al-O键，Al-O稳定性更强；气态氯化铝（Al₂Cl₆）是具有配位键的化合物，可溶于非极性溶剂，根据相似相溶原理可知该分子是非极性分子，Cl原子最外层有7个电子，只能与Al原子各提供1个电子形成一个共价键，使自己达到8电子稳定结构．Al原子最外层有3个电子，可分别与3个Cl原子形成共价键，因而Cl原子与2个Al原子形成的化学键中，必有1个是配位键，由于电子对由Cl原子提供，这样Cl原子最外层电子数仍为8，Al原子最外层也成为8电子结构，如图所示：；
故答案为：Al-O；非极性；；
（3）δ、α两种晶胞中铁原子的配位数分别为8、6，则配位数之比为8：6=4：3；若α-Fe晶胞边长为acm，γ-Fe晶胞边长为bcm，则两种晶体中铁原子个数之比=（1+8×$\frac{1}{8}$）：（8×$\frac{1}{8}$）=2：1，密度比=$\frac{\frac{56}{NA}×2}{a3}$：$\frac{\frac{56}{NA}}{b3}$=2b³：a³；
故答案为：4：3；2b³：a³；
（4）Ni的原子序数为28，电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s²，基态Ni²⁺核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸，3d有8个电子，其中2个单电子；其纳米粒子的直径为Dnm=D×10^-7m，表面积为4π（$\frac{D}{2}$×10^-7）²cm²=4π（$\frac{D}{2}$×10^-7）²×10^-4 m²=4π（$\frac{D}{2}$×10^-7）²×10^-4 m²=πD²×10^-18m²，体积为$\frac{4}{3}$π（$\frac{D}{2}$×10^-7）³cm³，纳米粒子的质量为$\frac{4}{3}$π（$\frac{D}{2}$×10^-7）³cm³×ρg/cm³=$\frac{4}{3}$π（$\frac{D}{2}$×10^-7）³×ρg=$\frac{πD{\;}^{3}ρ}{6}$×10^-21g，比表面积为$\frac{π{D}^{2}×1{0}^{-18}{m}^{2}}{\frac{π{D}^{3}ρ}{6}×1{0}^{-21}g}$=$\frac{6000}{Dρ}$；
故答案为：2；$\frac{6000}{Dρ}$；

点评 本题考查了物质的结构中的分子极性、原子的杂化、化学键、配位数的判断、晶胞的计算等知识，难度一般，注意配位键结构式中箭头的方向．