Question

3．有A、B、C、D四种元素．已知A原子的p轨道中有3个未成对电子，其气态氢化物在水中的溶解度在同族元素所形成的氢化物中最大．B 的基态原子占据两种形状的原子轨道，且两种形状轨道中的电子总数均相同，B位于元素周期表的s区．C元素原子的外围电子层排布式为ns^n-1np^n-1． D原子M能层为全充满状态，且核外的未成对电子只有一个．请回答下列问题：
（1）ACl₃分子中A的杂化类型为sp³．ACl₃分子的空间构型为三角锥形．

（2）某同学根据上述信息，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．
（3）A、B、C三元素原子第一电离能由大到小的顺序为N＞Si＞Mg（用元素符号表示）．C₆₀分子中每个原子只跟相邻的3个原子形成共价键，且每个原子最外层都满足8电子稳定结构，则C₆₀分子中π键的数目为30．
（4）D的基态原子有7种能量不同的电子；D²⁺的价电子排布式为3d⁹；图 2乙（填甲、乙或丙）表示的是D晶体中微粒的堆积方式．若该晶体中一个晶胞的边长为a cm，则D晶体的密度为$\frac{4×64}{{a}^{3}•{N}_{A}}$g/cm³（写出含a的表达式，用N_A表示阿伏加德罗常数的值）．若D的原子半径为r，则D晶胞这种堆积模型的空间利用率为$\frac{4×\frac{4}{3}π{r}^{3}}{（2\sqrt{2}r）^{3}}$×100%．（用含r的式子表示，不需化简）

Answer 1

分析 A、B、C、D四种元素．已知A原子的p轨道中有3个未成对电子，外围电子排布为ns²np³，其气态氢化物在水中的溶解度在同族元素所形成的氢化物中最大，应与水分子之间形成氢键，可推知A为N元素；B 的基态原子占据两种形状的原子轨道，且两种形状轨道中的电子总数均相同，位于元素周期表的s区，原子核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²，则B为Mg元素；C元素原子的外围电子层排布式为ns^n-1np^n-1，s能级只能容纳2个电子，故n=3，则C为Si元素； D原子M能层为全充满状态，且核外的未成对电子只有一个，则原子核外电子数为2+8+18+1=29，故D为Cu，据此解答．

解答 解：A、B、C、D四种元素．已知A原子的p轨道中有3个未成对电子，外围电子排布为ns²np³，其气态氢化物在水中的溶解度在同族元素所形成的氢化物中最大，应与水分子之间形成氢键，可推知A为N元素；B 的基态原子占据两种形状的原子轨道，且两种形状轨道中的电子总数均相同，位于元素周期表的s区，原子核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²，则B为Mg元素；C元素原子的外围电子层排布式为ns^n-1np^n-1，s能级只能容纳2个电子，故n=3，则C为Si元素； D原子M能层为全充满状态，且核外的未成对电子只有一个，则原子核外电子数为2+8+18+1=29，故D为Cu，
（1）NCl₃分子中N原子含有孤电子对=$\frac{5-1×3}{2}$=1，价层电子对数=3+1=4，则N原子采取sp³杂化，为三角锥形结构，
故答案为：sp³；三角锥形；
（2）3p能级能量高于3s能级，应填充满3s能级再填充3p能级，违背能量最低原理，
故答案为：能量最低原理；
（3）非金属性越强，第一电离能越大，故第一电离能N＞Si＞Mg，C₆₀分子中每个原子只跟相邻的3个原子形成共价键，且每个原子最外层都满足8电子稳定结构，则每个C形成的这3个键中，必然有1个双键，这样每个C原子最外层才满足8电子稳定结构，双键数应该是C原子数的一半，而每个双键有1个π键，显然π键数目为30，
故答案为：N＞Si＞Mg；30；
（4）Cu的基态原子核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s能级能量不同，有7种能量不同的电子；Cu²⁺的价电子排布式为3d⁹；
Cu为面心立方最密堆积，是ABC型方式堆积，故为图乙结构；晶胞中Cu原子数目=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，晶胞质量=4×$\frac{64}{{N}_{A}}$g，该晶体中一个晶胞的边长为a cm，则晶胞体积=（a cm）³=a³ cm³，则Cu晶体的密度=（4×$\frac{64}{{N}_{A}}$g）÷a³ cm³=$\frac{4×64}{{a}^{3}•{N}_{A}}$g/cm³，
若Cu的原子半径为r，则晶胞棱长=4r×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=2$\sqrt{2}$r，则晶胞体积=（2$\sqrt{2}$r）³，晶胞中Cu原子总体积=4×$\frac{4}{3}$πr³，则Cu晶胞这种堆积模型的空间利用率为$\frac{4×\frac{4}{3}π{r}^{3}}{（2\sqrt{2}r）^{3}}$×100%，
故答案为：7；3d⁹；乙；$\frac{4×64}{{a}^{3}•{N}_{A}}$g/cm³；$\frac{4×\frac{4}{3}π{r}^{3}}{（2\sqrt{2}r）^{3}}$×100%．

点评 本题是对物质结构的考查，题目综合性较大，涉及分子结构、杂化轨道、核外电子排布、电离能、晶胞计算等，是对学生综合能力的考查，（4）中晶胞空间利用率计算是难点、易错点，关键理解原子半径与晶胞棱长关系，掌握均摊法进行晶胞有关计算．