Question

4．四氧化三钴（Co₃O₄）纳米颗粒可以用于人造光合作用，以水和二氧化碳为原料制得甲醇燃料，回答下列问题：
（1）二氧化碳的水溶液中含有少量的CO₃^2-，CO₃^2-的空间构型为平面正三角形．
（2）CO₂、SiO₂为同族元素的氧化物，SiO₂熔点高的原因是CO₂属于分子晶体，而SiO₂属于原子晶体．
（3）甲醇分子中，中心原子的杂化轨道类型为sp³杂化．甲醇易溶于水，其主要原因是甲醇分子与水分子之间形成氢键．
（4）Co₃O₄晶体结构中，O^2-为立方紧密堆积；Co²⁺为四配位，填充于四面体空隙；Co³⁺填充于八面体空隙．Co²⁺的价层电子式为3d⁷；Co₃O₄晶体中Co³⁺的配位数为6．
（5）氧化亚钴与稀盐酸反应可生成紫红色六水合物（CoCl₂•6H₂O），该反应的化学方程式为CoO+2HCl+5H₂O=CoCl₂•6H₂O．
（6）四氧化三钴加热至900℃会分解成氧化亚钴，氧化亚钴的晶体结构与氯化钠类似，若氧化亚钴晶体的晶胞边长为apm，则两个紧邻的Co²⁺之间的距离为$\frac{\sqrt{2}}{2}$apm．

Answer 1

分析 （1）计算C原子孤电子对数、价层电子对数，进而确定CO₃^2-的空间构型；
（2）CO₂属于分子晶体，而SiO₂属于原子晶体；
（3）甲醇分子中C原子形成4个共价键，没有孤电子对，杂化轨道数目为4；甲醇分子与水分子之间形成氢键，甲醇易溶于水；
（4）Co为27号元素，原子核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²，失去4s能级2个电子形成Co²⁺；Co³⁺填充于八面体空隙，则其周围O^2-数目为6；
（5）氧化亚钴与稀盐酸反应可生成紫红色六水合物（CoCl₂•6H₂O）；
（6）氧化亚钴的晶体结构与氯化钠类似，晶胞中O^2-处于体心与棱中心，Co²⁺处于顶点与面心，若氧化亚钴晶体的晶胞边长为apm，O^2-、Co²⁺之间距离为0.5a pm，顶点与面心的Co²⁺紧邻，其距离为O^2-、Co²⁺之间距离的$\sqrt{2}$倍．

解答 解：（1）CO₃^2-中C原子孤电子对数=$\frac{4×2-2×3}{2}$=0、价层电子对数=3+0=3，CO₃^2-的空间构型为平面正三角形，
故答案为：平面正三角形；
（2）CO₂属于分子晶体，而SiO₂属于原子晶体，故SiO₂熔点高，
故答案为：CO₂属于分子晶体，而SiO₂属于原子晶体；
（3）甲醇分子中C原子形成4个共价键，没有孤电子对，杂化轨道数目为4，C原子采取sp³杂化；甲醇分子与水分子之间形成氢键，甲醇易溶于水，
故答案为：sp³杂化；甲醇分子与水分子之间形成氢键；
（4）Co为27号元素，原子核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²，失去4s能级2个电子形成Co²⁺，Co²⁺的价层电子式为3d⁷；Co³⁺填充于八面体空隙，则其周围O^2-数目为6，Co₃O₄晶体中Co³⁺的配位数为6，
故答案为：3d⁷；6；
（5）氧化亚钴与稀盐酸反应可生成紫红色六水合物（CoCl₂•6H₂O），该反应方程式为：CoO+2HCl+5H₂O=CoCl₂•6H₂O，
故答案为：CoO+2HCl+5H₂O=CoCl₂•6H₂O；
（6）氧化亚钴的晶体结构与氯化钠类似，晶胞中O^2-处于体心与棱中心，Co²⁺处于顶点与面心，若氧化亚钴晶体的晶胞边长为apm，O^2-、Co²⁺之间距离为0.5a pm，顶点与面心的Co²⁺紧邻，其距离为O^2-、Co²⁺之间距离的$\sqrt{2}$倍，即两个紧邻的Co²⁺之间的距离为$\sqrt{2}$×0.5a pm=$\frac{\sqrt{2}}{2}$a pm，
故答案为：$\frac{\sqrt{2}}{2}$a．

点评 本题是对物质结构与性质的考查，涉及空间构型与杂化方式判断、核外电子排布、氢键、晶胞结构及计算等，属于拼合型题目，（6）中计算为易错点，需要学生熟练识记中学常见晶胞结构，具备一定的空间想象与数学计算能力．