Question

9．钒（₂₃V）广泛用于催化及钢铁工业，我国四川的攀枝花和河北的承德有丰富的钒矿资源．回答下列问题：
（1）钒原子的外围电子排布式为3d³4s²，所以在元素周期表中它应位于VB族．
（2）V₂O₅常用作SO₂转化为SO₃的催化剂．当SO₂气态为单分子时，分子中S原子δ电子对有3对，S原子的杂化轨道类型为sp²，分子的立体构型为V形；SO₃的三聚体环状结构如图1所示，此氧化物的分子式应为S₃O₉，该结构中S-O键长有a、b两类，b的键长大于a的键长的原因为形成b键的氧原子与两个S原子结合，作用力较小；

（3）V₂O₅溶解在NaOH溶液中，可得到钒酸钠（Na₃VO₄），该盐阴离子中V的杂化轨道类型为sp³；以得到偏钒酸钠，其阴离子呈如图2所示的无限链状结构，则偏钒酸钠的化学式为NaVO₃；
（4）钒的某种氧化物晶胞结构如图3所示．该氧化物的化学式为VO₂，若它的晶胞参数为xnm，则晶胞的密度为$\frac{1.66×1{0}^{19}}{{N}_{A}{x}^{3}}$g•cm^-3．

Answer 1

分析 （1）由题意知，钒的核电荷数为23，则可以推知钒在元素周期表中的位置为第4周期ⅤB族，根据核外电子的轨道能量排布顺序知，1s＜2s＜2p＜3s＜3p＜4s＜3d＜4p，因此推断其电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s²，注意由于4s轨道能量比3d轨道能量低，因此先排4s轨道，因此其价层电子排布式为3d³4s²，以此书写电子排布式；
（2）SO₂分子中S原子形成2个δ键，孤电子对数为$\frac{6-2×2}{2}$=1，SO₃气态为单分子，该分子中S原子形成3个δ键，没有孤对电子，SO₃的三聚体中S原子形成4个δ键，以此判断空间构型和杂化类型；SO₃的三聚体属于分子结构，一个分子中含有3个S原子和9个O原子，键长越大键能越小；
（3）VO₄^3-中，V形成4个δ键，孤电子对数为$\frac{5+3-4×2}{2}$=0，为正四面体结构，由链状结构可知每个V与3个O形成阴离子，且V的化合价为+5价，以此判断形成的化合物的化学式；
（4）由晶胞可知，V位于顶点和体心，O有4个位于面心，2个位于体心，根据晶胞$ρ=\frac{m}{V}$计算．

解答 解：（1）由题意知，钒的核电荷数为23，则可以推知钒在元素周期表中的位置为第4周期ⅤB族，根据核外电子的轨道能量排布顺序知，1s＜2s＜2p＜3s＜3p＜4s＜3d＜4p，因此推断其电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d³4s²，注意由于4s轨道能量比3d轨道能量低，因此先排4s轨道，因此其价层电子排布式为3d³4s²，则电子排布式为
3d³4s²，
故答案为：3d³4s²；V；    
（2）SO₂分子中S原子形成2个δ键，孤电子对数为$\frac{6-2×2}{2}$=1，SO₂分子中S原子价层电子对数是3，为V形结构，SO₃气态为单分子，该分子中S原子形成3个δ键，没有孤对电子，则为sp²杂化；SO₃的三聚体属于分子结构，一个分子中含有3个S原子和9个O原子，故分子式为S₃O₉，形成b键的氧原子与两个S原子结合，作用力较小，键能较小，键能越小键长越大；
故答案为：3；sp²；V形；S₃O₉；形成b键的氧原子与两个S原子结合，作用力较小；    
（3）VO₄^3-中，V形成4个δ键，孤电子对数为$\frac{5+3-4×2}{2}$=0，杂化方式为sp³，空间构型为正四面体结构，由链状结构可知每个V与3个O形成阴离子，且V的化合价为+5价，则形成的化合物化学式为NaVO₃，
故答案为：sp³；NaVO₃；
（4）由晶胞可知，V位于顶点和体心，阳离子个数为1+8×$\frac{1}{8}$=2，O有4个位于面心，2个位于体心，则阴离子个数为4×$\frac{1}{2}$+2=4，阴阳离子数目之比为4：2=2：1，该氧化物的化学式为VO₂；晶胞边长为xnm=x×10^-7cm，晶胞体积V=10^-21x³cm³，一个晶胞的质量m=$\frac{51×2+16×4}{{N}_{A}}$，则密度$ρ=\frac{m}{V}$=$\frac{\frac{166}{{N}_{A}}}{1{0}^{-21}{x}^{3}}$=$\frac{1.66×1{0}^{19}}{{N}_{A}{x}^{3}}$．
故答案为：VO₂；$\frac{1.66×1{0}^{19}}{{N}_{A}{x}^{3}}$．

点评 本题综合考查物质的结构和性质，侧重于学生的分析能力的考查，注意把握杂化类型以及价层电子数的判断，难度中等．