题目内容

13.稀土元素是指元素周期表中原子序数为57 到71 的15种镧系元素,以及与镧系元素化学性质相似的钪(Sc)和钇(Y)共17 种元素.请回答下列问题:
(1)钪(Sc)元素的原子核外电子排布式为1s22s22p63s23p63d14s2.钬(Ho)的基态原子电子排布式为[Xe]4f116s2,一个基态钬原子所含的未成对电子数为3.
(2)稀土元素最常见的化合价为+3价,但也有少数还有+4价.请根据下表中的电离能数,判断表中最可能有+4价的元素是Ce.
几种稀土元素的电离能(单位:kJ•mol-1)
元素I1I2I3I1+I2+I3I4
Sc(钪)6331235238942577019
Y(钇)6161181198037775963
La(镧)5381067185034554819
Ce(铈)5271047194935233547
(3)离子化合物 Na3[Sc(OH)6]中,存在的作用力除离子键外还有共价键和配位键.
(4)Sm(钐)的单质与1,2-二碘乙烷可发生如下反应:Sm+ICH2CH2I→SmI2+CH2=CH2.
ICH2CH2I中碳原子杂化轨道类型为sp3,1mol CH2=CH2中含有的σ键数目为5NA.
(5)PrO2(二氧化镨)的晶体结构与CaF2相似,晶胞中Pr(镨)原子位于面心和顶点则PrO2(二氧化镨)的晶胞中有9个氧原子.
(6)Ce(铈)单质为面心立方晶体,其晶胞参数为a=516pm.晶胞中Ce(铈)原子的配位数为12.列式表示Ce(铈)单质的密度为$\frac{4×140}{6.02×1{0}^{23}×(516×1{0}^{-10})^{3}}$g•cm-3(不必计算出结果).

分析 (1)Sc元素原子核外电子数为21,根据核外电子排布规律书写;4f能级存在未成对电子,含有7个轨道,结合洪特规则判断;
(2)第四电离能与第一电离能、第二电离能、第三电离能相差越小,第四个电子越容易失去,+4价的可能性越大,根据表中数据判断;
(3)离子化合物 Na3[Sc(OH)6]中含有OH-与Sc3+形成的配位键,氢氧根离子中的氢氧元素之间的共价键;
(4)在ICH2CH2I分子中碳原子只形成了单键,有四个单键,故碳原子杂化轨道类型为sp3;1个CH2=CH2分子中含有5个σ键,故1mol CH2=CH2中含有的σ键数目为5NA;
(5)PrO2(二氧化镨)的晶体结构与CaF2相似,晶胞中Pr(镨)原子位于面心和顶点,根据均摊法计算晶胞中Pr原子数目,再根据化学式中原子数目之比计算晶胞中O原子数目;
(6)Ce(铈)单质为面心立方晶体,以晶胞顶点的铈原子为例,与之距离最近的铈原子位于立方体的面心上,每个顶点为8故晶胞共用,每个面心为2个晶胞共有,结合均摊法计算配位数;
利用均摊法计算晶胞中Ce原子数目,可以计算晶胞质量,根据ρ=$\frac{m}{V}$计算密度.

解答 解:(1)Sc元素原子核外电子数为21,核外电子排布式为:1s22s22p63s23p63d14s2,钬(Ho)的基态原子电子排布式为[Xe]4f116s2,4f能级存在未成对电子,含有7个轨道,有4个轨道填充2个电子,另外3个轨道均填充1个电子,故一个基态钬原子所含的未成对电子数为3,
故答案为:1s22s22p63s23p63d14s2;3;
规律书写;4f能级存在未成对电子,含有7个轨道,结合洪特规则判断;
(2)第四电离能与第一电离能、第二电离能、第三电离能相差越小,第四个电子越容易失去,+4价的可能性越大,在上述表中Ce的I1+I2+I3和I4最接近,故应为Ce元素,
故答案为:Ce;
(3)离子化合物 Na3[Sc(OH)6]中含有OH-与Sc3+形成的配位键,氢氧根离子中的氢氧元素之间的共价键,
故答案为:共价键和配位键;
(4)在ICH2CH2I分子中碳原子只形成了单键,有四个单键,故碳原子杂化轨道类型为sp3;1个CH2=CH2分子中含有5个σ键,故1mol CH2=CH2中含有的σ键数目为5NA,
故答案为:sp3;5NA;
(5)PrO2(二氧化镨)的晶体结构与CaF2相似,晶胞中Pr(镨)原子位于面心和顶点,则晶胞中Pr原子数目=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4,而Pr原子与O原子数目之比为1:2,则晶胞中O原子数目为4×2=8,
故答案为:8;
(6)Ce(铈)单质为面心立方晶体,以晶胞顶点的铈原子为例,与之距离最近的铈原子位于立方体的面心上,每个顶点为8故晶胞共用,每个面心为2个晶胞共有,晶胞中Ce(铈)原子的配位数为$\frac{3×8}{2}$=12;
晶胞中铈原子位于顶点和面心,数目为8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4,晶胞质量为4×$\frac{140}{6.02×1{0}^{23}}$g,该晶胞体积为(516×10-10cm)3,则密度ρ=4×$\frac{140}{6.02×1{0}^{23}}$g÷(516×10-10cm)3=$\frac{4×140}{6.02×1{0}^{23}×(516×1{0}^{-10})^{3}}$g•cm-3,
故答案为:12;$\frac{4×140}{6.02×1{0}^{23}×(516×1{0}^{-10})^{3}}$.

点评 本题是对物质结构的考查,涉及核外电子排布、电离能、化学键、晶胞的结构和晶胞的计算等知识,侧重考查对基础知识的应用,需要学生具备扎实的基础,难度中等.

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