Question

3．化学中的某些元素与生命活动密不可分．请回答下列问题：
（1）（NH₄）₂SO₄是一种重要的化学肥料，其中N、S原子的杂化方式分别是sp³、sp³，SO₄^2-的空间构型为正四面体．
（2）钙是儿童生长不可缺少的元素，基态钙原子中，电子没有全充满的能层是M能层和N能层．
（3）金属铁、镍及其形成的许多化合物常用作催化剂．已知NiO、FeO的晶体类型均与氯化钠晶体相同，熔点 NiO＞FeO，推测 Ni²⁺和 Fe²⁺离子半径的大小关系是r（Ni²⁺）＜r（Fe²⁺），作出判断的依据是NiO、FeO都是离子晶体，熔点NiO＞FeO，NiO的晶格能较大，阴离子相同，且阴、阳离子所带电荷数相同，所以r（Ni²⁺）＜r（Fe²⁺）．
（4）某金属是抗癌药物中的明星元素，其晶体中原子的堆积方式如图所示．晶胞中金属原子的配位数为12．若已知金属的摩尔质量为M g/mol，阿伏加德罗常数为N_A，原子半径为rpm，则该晶胞的密度为 ρ=$\frac{4M}{{N}_{A}×（2\sqrt{2}r×1{0}^{-10}）^{3}}$ g/cm³．（用含M、N_A、r的计算式表示，不用化简）

Answer 1

分析 （1）NH₄⁺中N原子价层电子对数为4+$\frac{5-1-1×4}{2}$=4，则杂化轨道数目为4，SO₄^2-中S原子孤电子对数=$\frac{6+2-2×4}{2}$=0，价层电子对数=4+0=4，杂化轨道数目为4；
（2）基态钙原子的核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²2p⁶4s²；
（3）、FeO的晶体类型均与氯化钠晶体相同，均属于离子晶体，熔点 NiO＞FeO，则晶格能NiO＞FeO，阴离子相同，且阴、阳离子所带电荷数相同，离子半径越小，晶格能越大；
（4）由堆积方式可知为ABCABCABC型堆积方式，为面心立方密堆积，配位数为12，根据均摊法计算晶胞中原子数目，表示出晶胞质量，处于晶胞面对角线上的原子相邻，原子半径为r pm，则晶胞棱长为4r pm×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=2$\sqrt{2}$r pm，再根据ρ=$\frac{m}{V}$计算．

解答 解：（1）NH₄⁺中N原子价层电子对数为4+$\frac{5-1-1×4}{2}$=4，则杂化轨道数目为4，SO₄^2-中S原子孤电子对数=$\frac{6+2-2×4}{2}$=0，价层电子对数=4+0=4，杂化轨道数目为4，所以N、S原子杂化方式都是sp³杂化，SO₄^2-中S原子价层电子对个数是4，没有孤电子对，则应为正四面体结构，
故答案为：sp³、sp³；正四面体；
（2）基态钙原子的核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²2p⁶4s²，M层排满应该是18个电子，N层排满应该是32个电子，所以没有排满的电子层为M能层和N能层；，
故答案为：M能层和N能层；
（3）NiO、FeO的晶体结构类型均与氯化钠的相同，说明二者都是离子晶体，熔点 NiO＞FeO，则晶格能NiO＞FeO，阴离子相同，且阴、阳离子所带电荷数相同，离子半径越小，晶格能越大，所以r（Ni²⁺）＜r（Fe²⁺），
故答案为：r（Ni²⁺）＜r（Fe²⁺）；NiO、FeO都是离子晶体，熔点NiO＞FeO，NiO的晶格能较大，阴离子相同，且阴、阳离子所带电荷数相同，所以r（Ni²⁺）＜r（Fe²⁺）；
（4）由堆积方式可知为ABCABCABC型堆积方式，为面心立方密堆积，配位数为12，
晶胞中原子数为$\frac{1}{2}$×6+$\frac{1}{8}$×8=4，晶胞的质量为m=$\frac{4M}{{N}_{A}}$g，原子半径为r pm，则晶胞棱长为4r pm×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=2$\sqrt{2}$r pm，则晶胞密度ρ=$\frac{4M}{{N}_{A}}$g÷（2$\sqrt{2}$r×10^-10cm）³=$\frac{4M}{{N}_{A}×（2\sqrt{2}r×1{0}^{-10}）^{3}}$g/cm³，
故答案为：12；$\frac{4M}{{N}_{A}×（2\sqrt{2}r×1{0}^{-10}）^{3}}$．

点评 本题是对物质结构与性质的考查，涉及核外电子排布、杂化方式与空间构型的判断、晶体类型与性质晶胞的计算等，需要学生具有一定的空间想象与数学计算能力，题目难度中等．