Question

20．已知A、B、C、D、E、F是周期表前四周期的元素，原子序数依次增大．A的基态原子2p能级有2个单电子；C是地壳中含量最多的元素；E的单质常温常压下为黄绿色气体，化学性质十分活泼，具有毒性；F位于ds区，最外能层有单电子，是热和电最佳导体之一，是唯一的能大量天然产出的金属；D与F不同周期，但最外能层电子数相等．

（1）写出基态D原子的价电子排布式3s¹．
（2）A、B、C三种元素第一电离能最大的是N（用元素符号表示），其原因是同一周期随着原子序数的递增，元素的第一电离能总体呈现增大趋势，N原子原子2p轨道为半满稳定状态，能量较低．
（3）A、C两元素形成的化合物AC₂的分子空间构型直线型．与 AC₂互为等电子体的粒子的化学式N₂O、NO₂⁺或BO₂^-．
（4）D、E形成的一种离子化合物，在图1晶胞结构图中黑球表示E的位置，白球表示D的位置，已知该晶胞的边长为n cm，阿伏加德罗常数为N_A，求晶胞的密度ρ=$\frac{234}{{n}^{3}•{N}_{A}}$g/cm³（用含n、NA的计算式表示）．
（5）由F原子形成的晶胞结构如图2，F原子的半径为r，列式表示E原子在晶胞中的空间利用率$\frac{\sqrt{2}π}{6}$（不要求计算结果）．

Answer 1

分析 A、B、C、D、E、F是周期表前四周期的元素，原子序数依次增大．A的基态原子2p能级有2个单电子，原子核外电子排布式为1s²2s²2p²，故A为碳元素；C占整个地壳质量的48.6%，是地壳中含量最多的元素，则C为O元素；E的单质常温常压下为黄绿色气体，化学性质十分活泼，具有毒性，则E为Cl；F位于ds区，最外能层有单电子，是热和电最佳导体之一，是唯一的能大量天然产出的金属，F为Cu；D与F不同周期，但最外能层电子数相等，D的原子序数大于氧、小于Cl，可知D为Na，
（1）D为Na，处于第三周期IA族；
（2）同一周期随着原子序数的递增，元素的第一电离能总体呈现增大趋势，N原子原子2p轨道为半满稳定状态，能量较低；
（3）A、C两元素形成的化合物CO₂的分子空间构型为直线形，原子数目相等、价电子总数也相等的微粒互为等电子体；
（4）利用均摊法计算晶胞中氯离子、钠离子数目，表示出晶胞质量，再根据ρ=$\frac{m}{V}$计算晶胞密度；
（5）根据均摊法计算晶胞中F原子数目，进而计算晶胞中F原子总体积，面对角线上的原子相邻，晶胞棱长为面对角线长度的$\frac{\sqrt{2}}{2}$倍，计算晶胞体积，F原子在晶胞中的空间利用率=$\frac{原子体积}{晶胞体积}$．

解答 解：A、B、C、D、E、F是周期表前四周期的元素，原子序数依次增大．A的基态原子2p能级有2个单电子，原子核外电子排布式为1s²2s²2p²，故A为碳元素；C占整个地壳质量的48.6%，是地壳中含量最多的元素，则C为O元素；E的单质常温常压下为黄绿色气体，化学性质十分活泼，具有毒性，则E为Cl；F位于ds区，最外能层有单电子，是热和电最佳导体之一，是唯一的能大量天然产出的金属，F为Cu；D与F不同周期，但最外能层电子数相等，D的原子序数大于氧、小于Cl，可知D为Na，
（1）D为Na，其价电子排布式为：3s¹，
故答案为：3s¹；
（2）同一周期随着原子序数的递增，元素的第一电离能总体呈现增大趋势，氧原子的第一电离能小于氮原子的原因是，氧原子的3个2p轨道上排布4个电子，必然有一个2p轨道上占2个电子，这两个电子在同一个2p轨道上增大了相互之间的排斥力，使得氧原子容易失去一个电子，
故答案为：N；同一周期随着原子序数的递增，元素的第一电离能总体呈现增大趋势，N原子原子2p轨道为半满稳定状态，能量较低；
（3）A、C两元素形成的化合物CO₂的分子空间构型为直线形，与CO₂互为等电子体的粒子的化学式有N₂O、NO₂⁺ 等，
故答案为：直线型；N₂O  NO₂⁺ 或BO₂^-；
（4）E为Cl、D为Na，晶胞中氯离子数目为：8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，钠离子数目为：1+12×$\frac{1}{4}$=4，则晶胞质量为：4×$\frac{58.5}{{N}_{A}}$g，晶胞的边长为n cm，则晶胞的密度ρ=4×$\frac{58.5}{{N}_{A}}$g÷（n cm）³=$\frac{234}{{n}^{3}•{N}_{A}}$g/cm³，
故答案为：$\frac{234}{{n}^{3}•{N}_{A}}$；
（5）晶胞中F原子数目为：8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，F原子的半径为r，则F原子总体积为：4×$\frac{4}{3}$πr³，晶胞棱长为4r×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=2$\sqrt{2}$r，则晶胞体积为（2$\sqrt{2}$r）³，则F原子在晶胞中的空间利用率为：$\frac{4×\frac{4}{3}π{r}^{3}}{（2\sqrt{2}r）^{3}}$=$\frac{\sqrt{2}π}{6}$，
故答案为：$\frac{\sqrt{2}π}{6}$．

点评 本题考查晶胞计算，题目难度较大，涉及核外电子排布、电离能、空间构型、等电子体、晶胞计算等知识，掌握均摊法进行晶胞有关计算，注意同周期第一电离能异常情况，试题培养了学生的分析、理解能力及化学计算能力．