Question

1．碳、氮、氟、硅、铜等元素的化合物广泛存在于自然界，回答下列问题：
（1）氮气分子中σ键和π键的比值为1：2；基态铜原子的电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹．
（2）C、N、F三种元素第一电离能由大到小的顺序为F＞N＞C；三种元素分别形成的最简单氢化物中属于非极性分子的是CH₄（填化学式）．
（3）NF₃是微电子工业中优良的等离子刻蚀气体，NF₃分子的空间构型为三角锥形； 在NF₃中，N原子的杂化轨道类型为sp³．
（4）金刚砂（SiC）的硬度为9.5，其晶胞结构如图所示．金刚砂晶体类型为原子晶体，每个C原子周围最近的C原子数目为12，若晶胞的边长为a cm，阿伏加德罗常数为N_A，则金刚砂的密度为$\frac{160}{{N}_{A}{a}^{3}}$g•cm^-3（不需要化简）．

Answer 1

分析 （1）氮气分子结构式为N≡N，三键中含有1个σ键、2个π键；Cu元素原子核外电子数为29，根据能量最低原理书写核外电子排布式；
（2）同周期随原子序数增大，元素第一电离能呈增大趋势；三种氢化物中甲烷为正四面体对称结构，分子中正负电荷重心重合，属于非极性分子；
（3）NF₃分子中N原子孤电子对数=$\frac{5-1×3}{2}$=1、价层电子对数=3+1=4，杂化轨道数目为4；
（4）金刚砂硬度大，晶胞中Si、C原子之间形成共价键，为空间网状结构，属于原子晶体，晶胞中存在四面体构型，晶胞中Si、C原子位置可以互换，互换后以顶点C原子为研究对象，与之最近的C原子处于面心，每个顶点为8个晶胞共用，每个面心为2个晶胞共用；
晶胞中Si处于顶点与面心、C原子处于晶胞内部，利用均摊法计算晶胞中Si、C原子数目，进而计算晶胞质量，再根据ρ=$\frac{m}{V}$计算晶胞密度．

解答 解：（1）氮气分子结构式为N≡N，三键中含有1个σ键、2个π键，分子中σ键和π键的比值为1：2，；Cu元素原子核外电子数为29，根据能量最低原理，核外电子排布式为：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，
故答案为：1：2；1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹；
（2）同周期随原子序数增大，元素第一电离能呈增大趋势，故第一电离能为：F＞N＞C；三种氢化物中，氨气为三角锥形，属于极性分子，HF为双原子分子，共用电子对偏向F，为极性分子，甲烷为正四面体对称结构，分子中正负电荷重心重合，属于非极性分子，
故答案为：F＞N＞C；CH₄；
（3）NF₃分子中N原子孤电子对数=$\frac{5-1×3}{2}$=1、价层电子对数=3+1=4，为三角锥形结构，N原子杂化轨道数目为4，采取sp³杂化，
故答案为：三角锥形；sp³；
（4）金刚砂硬度大，晶胞中Si、C原子之间形成共价键，为空间网状结构，属于原子晶体，
晶胞中存在四面体构型，晶胞中Si、C原子位置可以互换，互换后以顶点C原子为研究对象，与之最近的C原子处于面心，每个顶点为8个晶胞共用，每个面心为2个晶胞共用，故每个C原子周围最近的C原子数目为$\frac{3×8}{2}$=12，
晶胞中Si处于顶点与面心，晶胞中Si元素数目为8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，C原子处于晶胞内部，晶胞中C原子数目为4，故晶胞质量为4×$\frac{40}{{N}_{A}}$g，晶胞体积为（a cm）³，则晶胞密度为4×$\frac{40}{{N}_{A}}$g÷（a cm）³=$\frac{160}{{N}_{A}{a}^{3}}$g•cm^-3，
故答案为：$\frac{160}{{N}_{A}{a}^{3}}$．

点评 本题是对物质结构与性质的考查，涉及核外电子排布、电离能、分子结构与性质、杂化方式与空间构型判断、晶胞结构与计算等，（4）为易错点，需要学生具备一定的空间想象，难度中等．