Question

3．纳米技术制成的金属燃料、非金属固体燃料、氢气等已应用到社会生活和高科技领域．
（1）A和B的单质单位质量的燃烧热大，可用作燃料．已知A和B为短周期元素，其原子的第一至第四电离能如下表所示：

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

①某同学根据上述信息，某同学推断B的核外电子排布如图1所示，该同学所画的电子排布图违背了能量最低原理．

②根据价层电子对互斥理论，预测A和氯元素形成的简单分子空间构型为直线形．A原子杂化类型是sp．
（2）氢气作为一种清洁能源，必须解决它的储存问题，C₆₀可用作储氢材料．
①已知金刚石中的C-C的键长为154.45pm，C₆₀中C-C键长为145～140pm，有同学据此认识C₆₀的熔点高于金刚石，你认为是否正确不正确理由是因为C₆₀构成的晶体是分子晶体，影响分子晶体熔点的作用是分子间作用力；而金刚石构成的晶体是原子晶体，影响原子晶体熔点的作用是原子间共价键，共价键作用大大与分子间作用力，因此金刚石的熔点高于C₆₀．
②科学家把C₆₀和K掺杂在一起制造了一种富勒烯化合物，其晶胞如图2所示，该物质在低温时是一种超导体．该物质的K原子和C₆₀分子的个数比为3：1．晶胞中每个C₆₀分子周围与之等距离且最近的C₆₀分子数是6．
③继C₆₀后，科学家又合成了Si₆₀、N₆₀；C、Si、N原子电负性由大到小的顺序是N＞C＞Si．Si₆₀分子中每个硅原子只跟相邻的3个硅原子形成共价键，且每个硅原子最外层都满足8电子稳定结构，则Si₆₀分子中π键的数目为30．
（3）1986年，瑞士两位科学家发现一种性能良好的金属氧化物超导体，使超导工作取得突破性进展，为此两位科学家获得了1987年的Nobel物理学奖．其晶胞结构如图3．
①根据图示晶胞结构，推算晶体中Y、Cu、Ba和O原子个数比，其化学式YBa₂Cu₃O₇．
②已知该化合物中各元素的化合价Y为+3价，Ba为+2价，Cu为+2价和Cu为+3价，根据①所推出的化合物的组成，试计算化合物中这两种价态Cu原子个数比2：1．
③Ba²⁺的配位数为10．

Answer 1

分析 （1）①根据A、B两原子的第二、三电离能之间都有1个突跃，它们都是短周期元素推知元素A和元素B；根据核外电子排布所遵循的原理找出电子排布图的错误，
②根据价层电子对互斥理论，求出价层电子对数，得出分子构型及原子的杂化类型；
（2）①根据分子晶体的熔点与共价键的键能无关；
②根据晶胞的分配原则计算出每个晶胞结构各离子的个数，根据晶胞的结构图可判断晶胞中每个C₆₀分子周围与之等距离且最近的C₆₀分子数；
③根据同一周期，同一主族，元素电负性变化规律，比较元素电负性大小；根据每个硅原子最外层才满足8电子稳定结构，得出每个硅原子只有$\frac{1}{2}$个π键；
（3）①利用均摊法计算晶胞的结构；
②利用化合价代数和为0计算；
③根据晶胞结构图判断配位数．

解答 解：（1）①表中A、B两原子的第二、三电离能之间都有1个突跃，说明它们属于ⅡA族，又它们都是短周期元素，且A的第一电离能比B大，因此，A为Be元素，B为Mg元素，图1所示电子排布，根据能量最低原理，最外层两个电子应全排在s轨道上，
故答案：能量最低原理；
②A和氯元素形成的简单分子为BeCl₂，根据价层电子对互斥理论 n=$\frac{2+1×2}{2}$=2，分子构型为直线形，Be原子按sp方式杂化，
故答案：直线形；sp；
（2）①尽管C₆₀中C-C键的键能可能大于金刚石，但其熔化时并不破坏化学键，因此比较键能没有意义，
故答案：不正确；因为C₆₀构成的晶体是分子晶体，影响分子晶体熔点的作用是分子间作用力；而金刚石构成的晶体是原子晶体，影响原子晶体熔点的作用是原子间共价键，共价键作用大大与分子间作用力，因此金刚石的熔点高于C₆₀；
②在晶胞中，K原子在面心上和C₆₀分子在顶点和中心，则其个数比为$\frac{12×\frac{1}{2}}{8×\frac{1}{8}+1}$=3：1，根据晶胞的结构图可知，以晶胞顶点上的C₆₀为例，C₆₀分子周围与之等距离且最近的C₆₀分子位于晶胞相邻的顶点，共有6个，
故答案：3：1；6；
③同一周期，从左到右，电负性逐渐增大，同一主族，从上到下，电负性逐渐减小，因此，原子电负性由大到小的顺序是：N＞C＞Si，根据题意，每个硅形成的这3个键中，必然有1个双键，这样每个硅原子最外层才满足8电子稳定结构．显然，双键数应该是Si原子数的一半，而每个双键有1个π键，显然π键数目为30．
故答案：N＞C＞Si；30；
（3）①结合晶胞图再根据均摊法可知，在一个晶胞中含有Y原子数为1，Cu原子数为8×$\frac{1}{4}$+8×$\frac{1}{8}$=3，Ba原子数为2，O原子数为的个数为8×$\frac{1}{2}$+12×$\frac{1}{4}$=7，所以Y、Cu、Ba和O的个数比为1：3：2：7，所以化学式为YBa₂Cu₃O₇；
故答案为：YBa₂Cu₃O₇；
②根据化合价代数和为0可知，Cu的平均化合价为+$\frac{2×7-3-2×2}{3}$=+$\frac{7}{3}$，
设晶胞平均含有x个Cu²⁺，ygCu³⁺，
则有：$\left\{\begin{array}{l}{x+y=3}\\{2x+3y=2×7-3-2×2}\end{array}\right.$，解之得x=2，y=1，
所以：Cu²⁺：Cu³⁺=2：1．
故答案为：Cu²⁺：Cu³⁺=2：1；
③根据晶胞结构图可知，Ba²⁺的周围距离最近的氧原子有10个，所以Ba²⁺的配位数为10，
故答案为：10．

点评 本题主要考查了电离能、电负性、电子排布图、分子的空间构型、晶胞的计算等，试题涉及的知识点较多，侧重于物质结构知识的综合考查，题目难度中等．