Question

20．化学作为一门基础自然科学，在材料科学、生命科学、能源科学等诸多领域发挥着重要作用．
（1）高温超导材料钇钡铜氧的化学式为YBaCu₃O₇，其中$\frac{1}{3}$的Cu以罕见的Cu³⁺形式存在．Cu在元素周期表中的位置为第四周期第ⅠB族，基态Cu³⁺的核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸．
（2）磁性材料在生活和科学技术中应用广泛．研究表明，若构成化合物的阳离子有未成对电子时，则该化合物具有磁性．下列物质适合作录音磁带磁粉原料的为B（填选项字母）．
A．V₂O₅    B．CrO₂    C．PbO    D．ZnO
（3）屠呦呦因在抗疟药--青蒿素研究中的杰出贡献，成为首获科学类诺贝尔奖的中国人．青蒿素的结构简式如图1所示，其组成元素的电负性由大到小的顺序为O＞C＞H；碳原子的杂化方式为sp²、sp³．
（4）“可燃冰”因储量大、污染小被视为未来石油的替代能源，由甲烷和水形成的“可燃冰”结构如图2所示．
①“可燃冰”中分子间存在的作用力为氢键、范德华力．
②H₂O的VSEPR模型为四面体形
比较键角的大小：H₂O＜CH₄（填“＞”“＜”或“=”），原因为甲烷分子的杂化轨道中无孤电子对，而H₂O分子有两对孤对电子，孤对电子与成键电子的排斥力大、键角小

（5）锂离子电池在便携式电子设备以及电动汽车、卫星等领域显示出广阔的应用前景．该电池负极材料为石墨，石墨为层状结构（如图3），其晶胞结构如图4所示，该晶胞中有4个碳原子．已知石墨的层间距为apm，C-C键长为b pm，阿伏伽德罗常数的值为N_A，则石墨晶体的密度为$\frac{16×1{0}^{30}}{\sqrt{3}a{b}^{2}{N}_{A}}$g•cm^-3（列出计算式）．

Answer 1

分析 （1）Cu原子核外电子数为29，原子核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，失去4s能级1个电子、3d能级2个电子形成Cu³⁺；
（2）构成化合物的阳离子有未成对电子时，该化合物具有磁性，适合作录音磁带磁粉原料，根据离子核外电子排布式判断；
（3）青蒿素的组成元素有C、H、H，非金属性越强电负性越大；分子中酯基中C原子为形成3个σ键、其它碳原子形成4个σ键，均没有孤对电子；
（4）①水分子之间形成氢键，分子之间还存在范德华力；
②H₂O分子中O原子形成2个σ键、含有2对孤电子对；孤对电子与成键电子的排斥力比成键电子之间排斥力大；
（5）根据均摊法计算晶胞中C原子数目，C-C键长为b pm，则上、下底面为菱形，上底面棱长为b pm×$\frac{\sqrt{3}}{2}$×2=$\sqrt{3}$b pm，石墨的层间距为apm，则晶胞高为2a pm，计算晶胞质量，根据ρ=$\frac{m}{V}$计算晶胞密度．

解答 解：（1）Cu原子核外电子数为29，原子核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，处于周期表中第四周期第ⅠB族，失去4s能级1个电子、3d能级2个电子形成Cu³⁺，基态Cu³⁺的核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸，
故答案为：第四周期第ⅠB族；1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸；
（2）A．V₂O₅ 中V⁵⁺的核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶，没有未成对电子，没有磁性；
B．CrO₂ 中Cr⁴⁺的核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²，有未成对电子，具有磁性；
C．PbO 中Pb处于IVA族，失去p能级2电子形成Pb²⁺，没有未成对电子，没有磁性；
D．ZnO中Zn²⁺的核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰，没有未成对电子，没有磁性，
CrO₂适合作录音磁带磁粉原料，
故选：B；
（3）青蒿素的组成元素有C、H、H，非金属性越强电负性越大，故电负性O＞C＞H；分子中酯基中C原子为形成3个σ键、其它碳原子形成4个σ键，均没有孤对电子，碳原子的杂化方式为 sp²、sp³，
故答案为：O＞C＞H；sp²、sp³；
（4）①水分子之间形成氢键，分子之间还存在范德华力，故答案为：氢键、范德华力；
②H₂O分子中O原子形成2个σ键、含有2对孤电子对，VSEPR模型为四面体形；甲烷分子的杂化轨道中无孤电子对，而H₂O分子有两对孤对电子，孤对电子与成键电子的排斥力大、键角小，则键角H₂O＜CH₄，
故答案为：四面体形；＜；甲烷分子的杂化轨道中无孤电子对，而H₂O分子有两对孤对电子，孤对电子与成键电子的排斥力大、键角小；
（5）根据均摊法，晶胞中C原子数目=1+8×$\frac{1}{8}$+4×$\frac{1}{4}$+2×$\frac{1}{2}$=4，晶胞质量为$\frac{4×12}{{N}_{A}}$g，C-C键长为b pm，则上、下底面为菱形，上底面棱长为b pm×$\frac{\sqrt{3}}{2}$×2=$\sqrt{3}$b pm，石墨的层间距为apm，则晶胞高为2a pm，则晶胞密度为$\frac{4×12}{{N}_{A}}$g÷{[2×$\frac{1}{2}$×$\sqrt{3}$b×10^-10×$\sqrt{3}$b×10^-10×sin60°cm]×2a×10^-10cm}=$\frac{16×1{0}^{30}}{\sqrt{3}a{b}^{2}{N}_{A}}$g．cm^-3，
故答案为：4；$\frac{16×1{0}^{30}}{\sqrt{3}a{b}^{2}{N}_{A}}$．

点评 本题是对物质结构与性质的考查，涉及核外电子排布、电负性、杂化方式、价层电子对互斥理论、晶胞计算等，（5）为易错点、难点，需要学生具备一定的空间想象与数学计算能力，难度较大．