Question

3．已知常见元素X的原子序数比常见元素Y的小，X的氢化物能与其最高价氧化物的水化物发生化合反应生成一种离子化合物M，Y元素的周期序数等于最外层电子数．回答下列问题：
（1）在基态X原子中，核外存在2对自旋相反的电子，M由两种离子构成，其中阳离子的立体构型为正四面体，阳离子中X的杂化轨道类型为sp³
（2）由X、Y形成的化合物A具有耐温、抗冲击、导热性好等优良性能，广泛用于陶瓷工业等领域．工业上用X单质与Y的氧化物和碳在一定条件下反应生成A和CO，A的晶体结构如图所示，工业上制备A的化学方程式为N₂+Al₂O₃+3C$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$2AlN+3CO
（3）已知X与硼的化合物BX的晶体类型与A晶体的相同，且熔点比A高，可能的原因是BN与AlN都是原子晶体，硼原子半径比铝原子半径小，所以B-N键能比较Al-N键能大，所以BN的熔点比AlN高
（4）X元素的电负性比氧元素的小（填“大”或“小”，下同），X元素的第一电离能比氧元素的大
（5）若晶体A的密度为ρg•cm^-3，则晶体的棱长a=$\root{3}{\frac{4×41}{{N}_{A}}}$cm（阿伏伽德罗常数用N_A表示，不必化简）

Answer 1

分析 X的氢化物能与其最高价氧化物的水化物发生化合反应生成一种离子化合物M，则X为N元素，M为NH₄NO₃，元素X的原子序数比常见元素Y的小，Y元素的周期序数等于最外层电子数，则Y为Al．
（1）在基态X原子核外核外电子排布为1s²2s²2p³，M为NH₄NO₃，其中阳离子为NH₄⁺，计算N原子孤电子对、价层电子对数，进而确定立体构型与N原子的杂化类型；
（2）A晶体晶胞中N原子数目为4，Al原子数目为8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，故A为AlN，工业上用氮气与氧化铝和碳在一定条件下反应生成AlN和CO；
 （3）已知BN的晶体类型与AlN晶体的相同，它们都是原子晶体，硼原子半径比铝原子半径小，所以B-N键能比较Al-N键能大，所以BN的熔点比AlN高；
（4）同周期自左而右元素电负性增大；N元素原子2p能级为半满稳定状态，能量较低，第一电离能高于同周期相邻元素；
（5）晶胞中Al、N原子数目均为4，则晶胞质量为4×$\frac{27+14}{{N}_{A}}$g，再根据V=$\frac{m}{ρ}$计算晶胞体积，晶体的棱长a=$\root{3}{V}$．

解答 解：X的氢化物能与其最高价氧化物的水化物发生化合反应生成一种离子化合物M，则X为N元素，M为NH₄NO₃，元素X的原子序数比常见元素Y的小，Y元素的周期序数等于最外层电子数，则Y为Al．
（1）在基态X原子核外核外电子排布为1s²2s²2p³，1s、2s轨道电子为自旋相反的电子对，即核外存在2对自旋相反的电子；
M为NH₄NO₃，其中阳离子为NH₄⁺，N原子孤电子对=$\frac{5-1-1×4}{2}$=0、价层电子对数=4+0=4，故立体构型为正四面体，N原子采取sp³杂化，
故答案为：2；正四面体；sp³；
（2）A晶体晶胞中N原子数目为4，Al原子数目为8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，故A为AlN，工业上用氮气与氧化铝和碳在一定条件下反应生成AlN和CO，反应方程式为：N₂+Al₂O₃+3C$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$2AlN+3CO，
故答案为：N₂+Al₂O₃+3C$\frac{\underline{\;一定条件\;}}{\;}$2AlN+3CO；
（3）BN的晶体类型与AlN晶体的相同，它们都是原子晶体，硼原子半径比铝原子半径小，所以B-N键能比较Al-N键能大，所以BN的熔点比AlN高，
故答案为：BN与AlN都是原子晶体，硼原子半径比铝原子半径小，所以B-N键能比较Al-N键能大，所以BN的熔点比AlN高；
（4）同周期自左而右元素电负性增大，故电负性N＜O；N元素原子2p能级为半满稳定状态，能量较低，第一电离能高于同周期相邻元素，故第一电离能N＞O，
故答案为：小；大；
（5）晶胞中Al、N原子数目均为4，则晶胞质量为4×$\frac{27+14}{{N}_{A}}$g，晶体密度为ρg•cm^-3，晶胞体积=4×$\frac{27+14}{{N}_{A}}$g÷ρg•cm^-3=$\frac{4×41}{{N}_{A}}$cm³，则晶体的棱长a=$\root{3}{\frac{4×41}{{N}_{A}}}$cm，
故答案为：$\root{3}{\frac{4×41}{{N}_{A}}}$．

点评 本题是对物质结构与性质的考查，涉及核外电子排布、空间构型与杂化方式判断、晶体类型与熔沸点、电离能、电负性、晶胞计算等，注意理解同周期第一电离能异常情况，难度中等．