Question

17．钴（Co）是人体必需的微量元素．含钴化合物作为颜料，具有悠久的历史，在机械制造、磁性材料等领域也具有广泛的应用．请回答下列问题：
（1）Co基态原子的外围电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²或[Ar]3d⁷4s²；
（2）酞菁钴近年来在光电材料、非线性光学材料、光动力学疗法中的光敏剂、催化剂等方面得到了广泛的应用．其结构如图1所示，中心离子为钴离子．
①酞菁钴中三种非金属原子的电负性由大到小的顺序为N＞C＞H；
（用相应的元素符号作答）；碳原子的杂化轨道类型为sp²；
②与钴离子通过配位键结合的氮原子的编号是2、4；
（3）Co的一种氧化物的晶胞如2图所示，在该晶体中与一个钴原子等距离且最近的钴原子有12个；筑波材料科学国家实验室一个科研小组发现了在 5K 下呈现超导性的晶体，该晶体具有CoO₂的层状结构（如图所示，小球表示Co原子，大球表示O原子）．下列用粗线画出的重复结构单元示意图3不能描述CoO₂的化学组成的是D．

Answer 1

分析 （1）Co为27号元素，原子核外电子数为27，根据能量最低原理书写核外电子排布式；
（2）①酞菁钴中三种非金属原子为C、N、H，同周期自左而右电负性增大，非金属性越强电负性越大；分子中C原子均形成3个σ键，没有孤对电子，杂化轨道数目为3；
②含有孤对电子的N原子与Co通过配位键结合，形成配位键后形成4对共用电子对，形成3对共用电子对的N原子形成普通的共价键；
（3）由氧化物晶胞结构可知晶胞中Co、O原子数目之比为1：1，假设黑色球为Co原子，以顶点Co原子为研究对象，与之等距离且最近的钴原子位于面心，每个顶点为8个晶胞共用，每个面心为2个晶胞共用；CoO₂的重复结构单元示意图中Co、O原子数目之比应为1：2，结合均摊法计算判断．

解答 解：（1）Co为27号元素，原子核外电子数为27，根据能量最低原理，其核外电子排布式为：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²或[Ar]3d⁷4s²，
故答案为：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²或[Ar]3d⁷4s²；
（2）①酞菁钴中三种非金属原子为C、N、H，同周期自左而右电负性增大，非金属性越强电负性越大，故电负性N＞C＞H；分子中C原子均形成3个σ键，没有孤对电子，杂化轨道数目为3，碳原子的杂化轨道类型为 sp²，
故答案为：N＞C＞H；sp²；
②含有孤对电子的N原子与Co通过配位键结合，形成配位键后形成4对共用电子对，形成3对共用电子对的N原子形成普通的共价键，1号、3号N原子形成3对共用电子对为普通共价键，2号、4号N原子形成4对共用电子对，与Co通过配位键结合，
故答案为：2、4；
（3）由氧化物晶胞结构可知晶胞中Co、O原子数目之比为1：1，假设黑色球为Co原子，以顶点Co原子为研究对象，与之等距离且最近的钴原子位于面心，每个顶点为8个晶胞共用，每个面心为2个晶胞共用，在该晶体中与一个钴原子等距离且最近的钴原子数目为$\frac{3×8}{2}$=12；
CoO₂的重复结构单元示意图中Co、O原子数目之比应为1：2，由图象可知：
A中Co、O原子数目之比为1：4×$\frac{1}{2}$=1：2，符合，
B中Co、O原子数目之比为（1+4×$\frac{1}{4}$）：4=1：2，符合，
C中Co、O原子数目之比为4×$\frac{1}{4}$：4×$\frac{1}{2}$=1：2，符合，
D中Co、O原子数目之比为1：4×$\frac{1}{4}$=1：1，不符合，
故答案为：12；D．

点评 本题是对物质结构与性质的考查，涉及核外电子排布、配合物、晶胞计算等，侧重考查学生对知识的理解与迁移应用，注意利用均摊法进行晶胞计算，理解配位键形成条件，题目难度中等．