Question

1．（1）Na⁺与Ne互为等电子体，电离能I₂（Na）＞I₁（Ne）（填“＜”、“=”或“＞”）．
（2）第四周期中，与Al原子未成对电子数相同的金属元素有4种．气态氯化铝的分子组成为（AlCl₃）₂，分子中所含的化学键类型有共价键、配位键，Al原子的杂化方式为sp³杂化．
（3）可燃冰是天然气水合物，具有笼形结构如图A（表面的小球是水分子，内部的大球是甲烷分子）．水分子成笼的作用力是氢键，图A中最小的环中连接的原子总数是10．

可燃冰晶体具有多种笼状结构，其中一种由1个图A所示笼分别用2个面与另外两个相同的笼共面而成，则中间笼实际占有15个水分子．
（4）金属镁晶体中原子的堆积方式为六方最密堆积如图B所示，晶胞可用图C表示．设金属镁的原子半径为a cm，晶胞的高为b cm，则该晶体的空间利用率为$\frac{4πa}{3\sqrt{3}b}×100%$（写出计算式）；设晶胞中A点原子的坐标为（0，0，0），C点原子的坐标为（2a，0，0），D点原子的坐标为（0，0，b），则B点原子的坐标为$（a，\frac{\sqrt{3}a}{3}，\frac{b}{2}）$．

Answer 1

分析 （1）根据钠的正电性较强对核外电子的吸引力比氖更强，要想失去电子需要更多的能量，据此进行分析；
（2）Al原子未成对电子数为1，气态氯化铝的分子组成为（AlCl₃）₂，存在共价键和配位键，这里Al原子与四个配位的Cl原子连接，是sp³杂化；
（3）水分子成笼的作用力是 分子间作用力，具体表现为氢键，A中最小的环中连接的原子总数是10；中间笼实际占有15个水分子；
（4）空间利用率为晶胞内硬球的总体积占晶胞体积的百分比，根据晶胞A点原子的坐标，C点原子坐标和D点原子坐标解答．

解答 解：（1）根据钠的正电性较强对核外电子的吸引力比氖更强，要想失去电子需要更多的能量，因此钠的第二电离能比氖的更高．故答案为：＞；
（2）Al原子未成对电子数为1，第四周期各金属元素中，未成对电子数也为1的有K，Sc，Cu，Ga，共有4种；气态氯化铝组成为二聚体（AlCl₃）₂，这里Al与4个配位的Cl成键，3个为共价键，一个为配位键，则分子中含有的化学键类型为共价键、配位键，Al的杂化方式为sp³杂化．
故答案为：4，共价键、配位键，sp³杂化；
（3）可燃冰是天然气水合物，具有笼形结构如图A（表面的小球是水分子，内部的大球是甲烷分子），水分子成笼的作用力是 分子间作用力，具体表现为氢键；图A中最小的环连接有5个水分子，一个水分子有2个原子，因此最小的环连接的原子数为5×2=10；可燃冰晶体具有多种笼状结构，其中一种由1个图A所示笼分别用2个面与另外两个相同的笼共面而成，则中间笼有10个水分子且不均摊，两个面与另外的笼是共面关系，面为正五边形，5个水分子，则实际占有$10+5×2×\frac{1}{2}=15$个水分子．故答案为：氢键，10，15；
（4）六方最密堆积（hcp）不再是立方结构，晶胞参数已经不同于立方晶系，六方最密堆积晶胞实为等径硬球接触，上一层嵌于下一层的凹处，上下关系抽象在晶胞内其实是正四面体关系，因此晶胞C中虚线所标的四个硬球关系为正四面体关系，设晶胞底边长为xcm，即$\overline{AC}=xcm$，利用立体几何知识，不难求出晶胞底边长与正四面体的高度之间的关系为$h=\frac{\sqrt{6}}{3}xcm$，这里不妨把B层看成晶胞中层，则晶胞上下两层关系与正四面体高h的关系，也不难由立体几何知识求出，为$b=2h=\frac{2\sqrt{6}}{3}xcm$，由于金属Mg的原子半径为acm，根据硬球接触模型，$b=\frac{4\sqrt{6}}{3}acm$，对于六方晶胞，一个晶胞的顶点原子占晶胞的$\frac{1}{8}$，晶胞内部原子为整个晶胞所有，则一个六方晶胞内的原子数为$8×\frac{1}{8}+1=2$，则一个晶胞的体积为$V={x}^{2}bsin60°=2\sqrt{3}{a}^{2}b$，一个晶胞内硬球的总体积为${V}_{0}=2×\frac{4}{3}π{a}^{3}=\frac{8π{a}^{3}}{3}$，则空间利用率为$\frac{{V}_{0}}{V}×100%$=$\frac{4πa}{3\sqrt{3}b}×100%$，其实算到这里就可以了，如接着算下去，可以发现空间利用率为$\frac{4πa}{3\sqrt{3}b}×100%=\frac{\sqrt{2}}{6}π×100%=74.05%$，这就是六方最密堆积（hcp）的空间利用率！
晶胞中A点原子的坐标为（0，0，0），C点原子的坐标为（2a，0，0），D点原子的坐标为（0，0，b），B处于正四面体顶角原子处，根据立体几何知识，不难求出B原子的原子坐标为（$a，\frac{\sqrt{3}a}{3}，\frac{b}{2}$）．
故答案为：$\frac{4πa}{3\sqrt{3}b}×100%$，$（a，\frac{\sqrt{3}a}{3}，\frac{b}{2}）$．

点评 本题考查物质结构知识，包含电离能的比较，元素周期表，杂化轨道理论，价键类型判断，以及晶胞计算．本题（3），（4）问难度较大，需要有扎实的晶体化学知识，灵活运用均摊法，同时也要有足够的空间想象能力和立体几何知识，而空间利用率和原子坐标都是大学无机化学的知识，难度还是有的．另外，对于六方晶胞，需要注意区别于立方晶胞，思维需改变过来，否则就会发生严重的错误．本题考查知识点较为综合，是中档题．