题目内容
【题目】氮化铝(AlN)陶瓷是一种新型无机非金属材料， 最高可稳定到2473K， 导热性好、热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料。制取原理为：Al2O3+3C+N2
2A1N+3CO，回答下列问题：
(1)氮化铝的晶体类型为________。在上述化学方程式中第二周期元素的第一电离能由小到大的顺序是______。
(2)基态氧原子电子占据最高能级的原子轨道的形状是________，未成对电子数为________。
(3)等电子体具有相似的结构。CO与N2互为等电子体，CO分子中σ键与π键数目之比为_______。
(4)Cu2+处于：[Cu(NH3)4]2+的中心，若将配离子[Cu(NH3)4]2+中的2个NH3换为CN-，则有2种结构，则Cu2+是否为sp3杂化________（填“是”或“否”）理由为_________。
(5)AlN晶体结构如图所示，1个Al原子周围距离最近的Al原子数为______个；若晶胞结构的高为a nm， 底边长为b nm，NA表示阿伏伽德罗常数的值，则其密度为_______g.cm-3(列出计算式)。
【答案】原子晶体 C<O<N 哑铃形(或纺锤形) 2 1：2 否 若是sp3杂化[Cu(NH3)4]2+的空间构型为正四面体形，将配离子[Cu(NH3)4]2+中的2个NH3换为CN-，则只有1种结构 12 
【解析】
(1)原子晶体的熔沸点较高、硬度大，同一周期元素的电离能呈增大趋势；
(2)根据O原子核外电子排布及各个能级的原子轨道的形状确定未成对电子数目；
(3)等电子体结构相似，结合共价单键都是σ键与π键，共价双键一个是σ键，1个是π键；共价三键1个σ键个2个π键分析；
(4)根据将配离子[Cu(NH3)4]2+中的2个NH3换为CN-，有2种结构，判断Cu2+中原子杂化类型；
(5)利用均摊方法计算一个晶胞中含有的离Al原子最近的Al原子个数，先计算一个晶胞中含有的Al、N原子数目，然后根据晶胞密度计算公式
计算。
(1)由于原子晶体的熔沸点较高、硬度大，而氮化铝(AlN)陶瓷最高可稳定到2473K，说明原子间结合力强，熔沸点高，属于原子晶体；在上述反应中涉及到的第二周期的元素有C、N、O三种元素，同一元素的电离能随原子序数的增大而增大，但由于N原子最外层的p电子处于半充满的稳定状态，不容易失去电子，属于其第一电离能比相邻的O元素要大，故三种元素的第一电离能由小到大的顺序是C<O<N；
(2)O是8号元素，核外电子排布为1s22s22p4，可见基态氧原子电子占据最高能级是2p能级，其原子轨道的形状是哑铃形(或纺锤形)，由于2p轨道数目是3 个，原子核外电子总是尽可能成单排列，而且自旋方向相同，一个轨道最多可容纳2个电子，自旋方向相反，所以未成对电子数为2个；
(3) N2结构简式是N≡N，等电子体具有相似的结构。CO与N2互为等电子体，所以CO分子中含有1个σ键和2个π键，因此CO分子中σ键与π键数目之比为1：2；
(4)由于将配离子[Cu(NH3)4]2+中的2个NH3换为CN-，有2种结构，说明[Cu(NH3)4]2+形成是平面正方形结构，Cu2+在平面正方形对角线的交点上；若是Cu2+采用sp3杂化，由于正四面体任何两个顶点都处于相邻位置，那么[Cu(NH3)4]2+的空间构型为正四面体形，将配离子[Cu(NH3)4]2+中的2个NH3换为CN-，则只有1种结构，所以Cu2+不是采用sp3杂化；
(5)由晶体结构示意图可知与Al原子连接的N原子构成的是正四面体结构，与N原子连接的Al原子构成的也是正四面体结构，则晶体中若Al原子处于立方体顶点上，可截图为
，可见顶点Al原子到面心最近Al原子最近，在一个晶胞中有3个这种Al原子，且通过该Al原子可形成8个晶胞，每个Al原子被计算了2次，因此与1个Al原子周围距离最近的Al原子数为
=12个；也可以按照题图画实线部分截图为
。在该结构图中，底面为菱形，处于对位的两个顶角分别为60°、120°，其中含有Al原子个数为Al：
=2，含有N原子数目为N：
=2，因此一个该结构中含有2个AlN，底面面积为S=
b×(10-7 cm) b×(10-7 cm)=
b2×10span>-14 cm2，晶胞高为a nm=a×10-7 cm，则该结构体积V=
b2×10-21 cm3，该结构质量m=
g，所以该结构(即晶胞)的密度为
=g/cm3。
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