Question

7．Cu、Ag、Au同为第一副族的元素，它们的性质也有不同之处，如：它们在水溶液中最稳定的氧化态分别为+2，+1和+3，回答下列问题：
（1）写出Au³⁺的价层电子排布5d⁸．
（2）金属固溶体的结构一般与纯金属相同，只是一部分原子被另一部分原子统计的置换了．例如Cu-Au体系，将两种金属混合熔化成液体，当固溶体倍淬火处理，即快速冷却时，形成无序固溶体相，金原子完全统计的取代铜原子，如图（a）；另外当合金缓慢地冷却时，两种原子的分布不再无序，在此过程中可以形成两种结构，如图（b）、（c），其中，铜原子和金原子的原子半径分别为128pm、144pm．
说明：（a）中，黑白混搭表示一种无序状态，（b）、（c）中黑球表示Au原子，白球表示Cu原子．
①写出b、c的化学式：bCu₃Au、cCuAu．
②试分别求b、c结构的密度：b11.4g/cm³、c12.8g/cm³．
③结合你的理解以及材料，试猜想金、铜能形成金属固溶体的原因：Cu、Au的纯金属结构相同，都为面心立方结构，二者为同一族元素，电子结构相似，为二者原子半径相近．
④若a的密度为14.0g/cm³，试猜想当将a熔化后再缓慢冷却时，得到的物质中b结构和c结构哪个更多？通过计算说明理由．（假定统计原子半径为140pm）

Answer 1

分析 （1）Cu、Ag、Au同为I副族的元素，Au处于第六周期，Au原子外围电子排布为5d¹⁰6s¹，Au原子失去6s能级1个电子、5d能级2个电子形成Au³⁺；
（2）①根据均摊法计算晶胞中Au、Cu原子数目，进而确定化学式；
②结合晶胞中Au、Cu原子数目计算晶胞质量，（b）为面心立方密堆积，晶胞棱长为（128pm+144pm）×2×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=（128pm+144pm）×2×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=272$\sqrt{2}$ pm，而（c）8个顶点Au原子也形成立方体，上下两个面中面对角线上的Au原子相邻，则晶胞棱长为144pm×4×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=288$\sqrt{2}$ pm，再根据ρ=$\frac{m}{V}$计算晶胞密度；
③Cu、Au的纯金属结构相同，都为面心立方结构，二者为同一族元素，电子结构相似，为二者原子半径相近，金、铜能形成金属固溶体；
④晶胞中原子总数目为4，晶胞棱长为140pm×4×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=280$\sqrt{2}$ pm，根据m=ρV计算晶胞质量，进而计算1个原子的质量，再计算N_A个原子的质量，即为统计原子的摩尔质量，再计算（b）（c）摩尔质量，对比据此判断．

解答 解：（1）Cu、Ag、Au同为I副族的元素，Au处于第六周期，Au原子外围电子排布为5d¹⁰6s¹，Au原子失去6s能级1个电子、5d能级2个电子形成Au³⁺，故Au³⁺的价电子排布为：5d⁸，
故答案为：5d⁸；
（2）①（b）中Au原子数目为8×$\frac{1}{8}$=1，Cu原子数目为6×$\frac{1}{2}$=3，故化学式为Cu₃Au；
（c）中Au原子数目为8×$\frac{1}{8}$+2×$\frac{1}{2}$=2，Cu原子数目为4×$\frac{1}{2}$=2，故化学式为CuAu，
故答案为：Cu₃Au；CuAu；
②（b）为面心立方密堆积，晶胞质量为$\frac{197+64×3}{6.02×1{0}^{23}}$g，晶胞棱长为（128pm+144pm）×2×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=（128pm+144pm）×2×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=272$\sqrt{2}$ pm，则晶胞密度为$\frac{197+64×3}{6.02×1{0}^{23}}$g÷（272$\sqrt{2}$×10^-10cm）³=11.4g/cm³；
（c）晶胞质量为$\frac{2×（197+64）}{6.02×1{0}^{23}}$g，8个顶点Au原子也形成立方体，上下两个面中面对角线上的Au原子相邻，则晶胞棱长为144pm×4×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=288$\sqrt{2}$ pm，故晶胞密度为为$\frac{2×（197+64）}{6.02×1{0}^{23}}$g÷（288$\sqrt{2}$×10^-10cm）³=12.8g/cm³；
故答案为：11.4g/cm³；12.8g/cm³；
③Cu、Au的纯金属结构相同，都为面心立方结构，二者为同一族元素，电子结构相似，为二者原子半径相近，金、铜能形成金属固溶体；
故答案为：Cu、Au的纯金属结构相同，都为面心立方结构，二者为同一族元素，电子结构相似，为二者原子半径相近；
④（b）中Au与Cu原子为1：3，摩尔质量为$\frac{197+64×3}{1+3}$g/mol=97.25g/mol，（c）中Au、Cu原子1：1，摩尔质量为$\frac{197+64}{1+1}$g/mol=130.5，晶胞中原子总数目为4，晶胞棱长为140pm×4×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=280$\sqrt{2}$ pm，则统计原子的摩尔质量为6.02×10²³×mol^-1×{（280$\sqrt{2}$×10^-10cm）³×14.0g/cm³]÷4}=130.8g/mol，而（b）中摩尔质量为$\frac{197+64×3}{1+3}$g/mol=97.25g/mol，故与（c）中数据接近，故得到（c）的结构偏多，
答：得到（c）的结构偏多．

点评 本题考查晶胞计算，需要是具备一定的数学计算能力，题目数据复杂、计算量大，属于易错题目，难度较大．