Question

15．已知X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42．X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子．X跟Y可形成化合物X₂Y₃，Z元素可以形成负一价离子．元素M为第四周期元素，M原子核外最外层只有1个电子，其余各层电子均充满．请回答下列问题：
（1）向MSO₄溶液中加入过量NaOH溶液生成离子[M（OH）₄]^2-．若不考虑空间构型，则[M（OH）₄]^2-的结构可用示意图表示为；N₃^-和CO₂是等电子体，则N₃^-的结构式为[N=N=N]^-．
（2）Y元素原子外围电子排布图为．
（3）X与Z可形成化合物XZ₃，该化合物的空间构型为三角锥形．
（4）已知由元素X与镓元素组成的化合物A为第三代半导体．已知化合物A的晶胞结构与金刚石相似，其中X原子位于立方体内，镓原子位于立方体顶点和面心，请写出化合物A的化学式GaAs；化合物A可由（CH₃）₃Ga和XZ₃在700℃下反应制得，反应的化学方程式为（CH₃）₃Ga+AsH₃$\frac{\underline{\;700℃\;}}{\;}$GaAs+3CH₄ ．
（5）已知铝与镓元素位于同一主族，金属铝属立方晶系，其晶胞边长为405pm，密度是2.70g•cm^-3，通过计算确定其晶胞的类型面心立方最密堆积（填简单立方堆积、体心立方堆积或面心立方最密堆积）；晶胞中距离最近的铝原子可看作是接触的，计算铝的原子半径r（A1）=143.17pm．（计算结果保留小数点后两位；已知：405³≈6.64×10⁷，$\sqrt{2}$=1.414）

Answer 1

分析 X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，X元素原子的核外电子排布式为 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³，处于第四周期第ⅤA族，故X为As元素；Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子，Y的2p轨道上有2个电子或4个电子，所以Y为碳元素或氧元素，X跟Y可形成化合物X₂Y₃，故Y为氧元素；X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42，则Z的质子数为42-8-33=1，则Z为氢元素，氢原子可以形成负一价离子，符合题意．
（1）[Cu（OH）₄]^2-的中铜离子与氢氧根离子之间形成配位键，N₃^-和CO₂是等电子体，则N₃^-中N原子之间形成2对共用电子对；
（2）Y为O元素，原子外围电子排布为2s²2p⁴，结合泡利不相容原理与洪特规则画出外围电子排布图；
（3）X与Z可形成化合物AsH₃，空间结构与氨气结构类似；
（4）As与镓元素组成的化合物A的晶胞结构与金刚石相似，其中As原子位于立方体内，镓原子位于立方体顶点和面心，晶胞中Ga原子数目=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4、As原子数目=4，故该化合物化学式为GaAs，由（CH₃）₃Ga和AsH₃在700℃下反应制得，由原子守恒可知有甲烷生成；
（5）根据密度、晶胞边长计算每个晶胞中含有的铝原子个数，根据铝原子个数判断晶胞类型，进而计算铝原子半径．

解答 解：X元素原子的4p轨道上有3个未成对电子，X元素原子的核外电子排布式为 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³，处于第四周期第ⅤA族，故X为As元素；Y元素原子的最外层2p轨道上有2个未成对电子，Y的2p轨道上有2个电子或4个电子，所以Y为碳元素或氧元素，X跟Y可形成化合物X₂Y₃，故Y为氧元素；X、Y和Z三种元素的原子序数之和等于42，则Z的质子数为42-8-33=1，则Z为氢元素，氢原子可以形成负一价离子，符合题意．
（1）[Cu（OH）₄]^2-的中铜离子与氢氧根离子之间形成配位键，其结构可用示意图表示，N₃^-和CO₂是等电子体，则N₃^-中N原子之间形成2对共用电子对，故其结构式为[N=N=N]^-，
故答案为：；[N=N=N]^-；
（2）Y为O元素，原子外围电子排布为2s²2p⁴，外围电子排布图为，
故答案为：；
（3）X与Z可形成化合物AsH₃，与氨气结构类似，该化合物的空间构型为三角锥形，故答案为：三角锥形；
（4）金刚石的晶胞结构为，As与镓元素组成的化合物A的晶胞结构与金刚石相似，其中As原子位于立方体内，镓原子位于立方体顶点和面心，晶胞中Ga原子数目=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4、As原子数目=4，故该化合物化学式为GaAs，由（CH₃）₃Ga和AsH₃在700℃下反应制得，由原子守恒可知有甲烷生成，反应的化学方程式为：（CH₃）₃Ga+AsH₃$\frac{\underline{\;700℃\;}}{\;}$GaAs+3CH₄ ，
故答案为：GaAs；（CH₃）₃Ga+AsH₃$\frac{\underline{\;700℃\;}}{\;}$GaAs+3CH₄ ；
（5）晶胞质量为2.70g•cm^-3×（405×10^-10cm）³，晶胞中Al原子数目为N（Al），则N（Al）×$\frac{27}{6.02×1{0}^{23}}$g=2.70g•cm^-3×（405×10^-10cm）³，解得N（Al）=4，该晶胞的每个顶点上和每个面上都含有一个Al原子，为面心立方晶胞；
面心立方晶胞中，每个面的对角线上三个原子紧挨着，所以对角线长度=$\sqrt{2}$×405pm，对角线为四个Al原子半径之和，所以每个铝原子半径=$\frac{1}{4}$×$\sqrt{2}$×405pm=143.17pm，
故答案为：面心立方最密堆积；143.17．

点评 本题是对物质结构的考查，涉及配合物、核外电子排布、分子构型、等电子体、晶胞有关计算等，晶胞的计算为难点、易错点，需要学生熟练掌握常见晶胞结构、具有一定的空间想象与数学计算能力．