Question

10．已知A、B、C、D、E都是周期表中前四周期的元素，它们的核电荷数依次增大．其中A原子核外有三个未成对电子； B元素是地壳中含量最多的金属元素；C原子核外的M层中有两对成对电子；D是使用最广泛的合金的主要成分．E原子核外最外层只有1个电子，其余各层电子均充满．请根据以上信息，回答下列问题：（答题时，A、B、C、D、E用所对应的元素符号表示）
（1）E⁺离子的最外层电子排布式3s²3p⁶3d¹⁰，A、B、C的第一电离能最小的是Al
（2）A的最高价含氧酸分子中心原子是sp²杂化．
（3）A、B形成某种化合物的晶胞结构如下图一所示（“O”表示B原子），则其化学式为AlN，一个B原子周围距离最近且等距的B原子有12个．B原子的堆积方式与下图中的图三相同．（填“图二”或“图三”）

（4）1183K以下D晶体的晶胞为钾型，而1183K以上则转变为铜型，在两种晶胞中最邻近的D原子间距离相同，则两种晶体中原子的空间利用率之比为$\frac{3\sqrt{6}}{8}$（可用根号表示）．
（5）开发新型储氢材料是氢能利用的重要研究方向．分子X可以通过氢键形成“笼状结构”而成为潜在的储氢材料．X一定不是BC（填标号）．
A．H₂O           B．CH₄           C．HF        D．CO（NH₂）₂．

Answer 1

分析 A、B、C、D、E都是周期表中前四周期的元素，它们的核电荷数依次增大，B元素是地壳中含量最多的金属元素，则B是Al元素；
A原子核外有三个未成对电子，A为第VA族元素，A原子序数小于B，则A是N元素；
C原子核外的M层中有两对成对电子，则C是Si元素；
D是使用最广泛的合金的主要成分，则D是Fe元素；
E原子核外最外层只有1个电子，其余各层电子均充满，则E是Cu元素；
（1）E是Cu元素，其原子核外有29个电子，失去一个电子生成亚铜离子，M层为最外层，3s、3p、3d能级分别有2、6、10个电子；
A、B、C分别是N、Al、Si元素，元素的金属性越强，其第一电离能越小；
（2）A的最高价含氧酸是HNO₃，N原子价层电子对个数是3且不含孤电子对，根据价层电子对互斥理论判断N原子杂化方式；
（3）该晶胞中，铝离子个数=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，氧离子个数=4，根据铝离子和氧离子个数之比确定化学式；
一个Al离子周围距离最近的Al离子个数=3×8×$\frac{1}{2}$；B晶胞是面心立方最密堆积；
（4）钾型晶胞中Fe原子个数=1+8×$\frac{1}{8}$=2，设Fe原子半径为x，晶胞棱长=$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}$，晶胞体积=（$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}$）³，铁原子总体积=$\frac{4}{3}π{x}^{3}×2$，空间利用率=$\frac{\frac{4}{3}π{x}^{3}×2}{（\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}）^{3}}$；
Cu型晶胞中铁原子个数=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，铁原子总体积=$\frac{4}{3}π{x}^{3}×4$，晶胞棱长=$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}$，晶胞体积=（$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}$）³，空间利用率=$\frac{\frac{4}{3}π{x}^{3}×4}{（\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}）^{3}}$；
（5）CH₄分子间没有氢键，HF分子间只能形成链状结构．

解答 解：A、B、C、D、E都是周期表中前四周期的元素，它们的核电荷数依次增大，B元素是地壳中含量最多的金属元素，则B是Al元素；
A原子核外有三个未成对电子，A为第VA族元素，A原子序数小于B，则A是N元素；
C原子核外的M层中有两对成对电子，则C是Si元素；
D是使用最广泛的合金的主要成分，则D是Fe元素；
E原子核外最外层只有1个电子，其余各层电子均充满，则E是Cu元素；
（1）E是Cu元素，其原子核外有29个电子，失去一个电子生成亚铜离子，M层为最外层，3s、3p、3d能级分别有2、6、10个电子，亚铜离子最外层电子排布式为3s²3p⁶3d¹⁰；
A、B、C分别是N、Al、Si元素，元素的金属性越强，其第一电离能越小，这三种元素中金属性最强的是Al，所以第一电离能最小的是Al；
故答案为：3s²3p⁶3d¹⁰；Al；
（2）A的最高价含氧酸是HNO₃，N原子价层电子对个数是3且不含孤电子对，根据价层电子对互斥理论值N原子杂化方式为sp²，故答案为：sp²；
（3）该晶胞中，铝离子个数=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，氧离子个数=4，铝离子和氧离子个数之比=4：4=1：1，所以化学式为AlN；
一个Al离子周围距离最近的Al离子个数=3×8×$\frac{1}{2}$=12；B晶胞是面心立方最密堆积，所以为图三，
故答案为：AlN；12；图三；
（4）钾型晶胞中Fe原子个数=1+8×$\frac{1}{8}$=2，设Fe原子半径为x，晶胞棱长=$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}$，晶胞体积=（$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}$）³，铁原子总体积=$\frac{4}{3}π{x}^{3}×2$，空间利用率=$\frac{\frac{4}{3}π{x}^{3}×2}{（\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}）^{3}}$；
Cu型晶胞中铁原子个数=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，铁原子总体积=$\frac{4}{3}π{x}^{3}×4$，晶胞棱长=$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}$，晶胞体积=（$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}$）³，空间利用率=$\frac{\frac{4}{3}π{x}^{3}×4}{（\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}）^{3}}$，则钾型与铜型原子利用率之比=$\frac{\frac{4}{3}π{x}^{3}×2}{（\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}）^{3}}$：$\frac{\frac{4}{3}π{x}^{3}×4}{（\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}）^{3}}$=$\frac{3\sqrt{6}}{8}$，
故答案为：$\frac{3\sqrt{6}}{8}$；
（5）CH₄分子间没有氢键不能形成“笼状结构”，每个HF只能形成2个氢键，所以HF分子间只能形成链状结构，故选BC．

点评 本题考查物质结构和性质，为高频考点，涉及晶胞计算、氢键、原子核外电子排布、元素周期律等知识点，侧重考查计算能力及空间想象能力，难点是（4）题空间利用率的计算，正确判断哪几个原子紧贴在一起是解该题关键，题目难度中等．