Question

12．利用周期表中同族元素的相似性，可预测元素的性质．
（1）P元素的基态原子有3个未成对电子，白磷的分子式为P₄，其结构如图1所示．

科学家目前合成了N₄分子，N原子的杂化轨道类型是sp³，N-N键的键角为60°；N₄分解后能产生N₂并释放出大量能量，推测其用途为制造火箭推进剂或炸药．
（2）N、P、As原子的第一电离能由大到小的顺序为N＞P＞As．
（3）立方氮化硼晶体的结构如图2所示：
该晶体中，B原子填充在N原子的正四面体空隙，且占据此类空隙的比例为50% （填百分数）．
（4）N与As是同族元素，B与Ga是同族元素，立方砷化镓晶体与立方氮化硼晶体结构类似，两种晶体中熔点较高的是氮化硼；立方砷化镓晶体的晶胞边长为a pm，则其密度为$\frac{5.8×1{0}^{32}}{{N}_{A}•{a}^{3}}$g•cm^-3 （用含a的式子表示，设N_A为阿伏加德罗常数的值）．

Answer 1

分析 （1）P元素原子价电子排布式为3s²2p³；N₄分子与P₄结构相似，为正四面体构型，N₄分子中N原子形成3个σ键、含有1对孤对电子，杂化轨道数目为4，每个面为正三角形；N₄分解后能产生N₂并释放出大量能量，可以制造火箭推进剂或炸药；
（2）同主族自上而下第一电离能减小；
（3）B原子周围的4个N原子形成正四面体结构；每个晶胞中由8个这样的正四面体结构，只有4个填充B原子；
（4）立方砷化镓晶体与立方氮化硼晶体结构类似，均属于原子晶体，原子半径越小，共价键越强，晶体熔点越高；根据均摊法计算晶胞中As、Ga原子数目，表示出晶胞质量，根据ρ=$\frac{m}{V}$计算晶胞密度．

解答 解：（1）P元素原子价电子排布式为3s²2p³，基态原子有3个未成对电子，N₄分子与P₄结构相似，为正四面体构型，N₄分子中N原子形成3个σ键、含有1对孤对电子，杂化轨道数目为4，N原子采取sp³杂化，每个面为正三角形，N-N 键的键角为60°；N₄分解后能产生N₂并释放出大量能量，可以制造火箭推进剂或炸药，
故答案为：3；sp³；60°；制造火箭推进剂或炸药；
（2）同主族自上而下第一电离能减小，故第一电离能：N＞P＞As，
故答案为：N＞P＞As；
（3）B原子周围的4个N原子形成正四面体结构；每个晶胞中由8个这样的正四面体结构，只有4个填充B原子，B原子占据此类空隙的比例为50%，
故答案为：正四面体；50%；
（4）立方砷化镓晶体与立方氮化硼晶体结构类似，均属于原子晶体，原子半径N＜As、B＜Ga，故氮化硼中共价键更强，氮化硼的晶体熔点更高，晶胞中As、Ga原子数目均为4，晶胞质量为4×$\frac{145}{{N}_{A}}$g，晶胞密度为4×$\frac{145}{{N}_{A}}$g÷（a×10^-10 cm）³=$\frac{5.8×1{0}^{32}}{{N}_{A}•{a}^{3}}$g．cm^-3，
故答案为：氮化硼； $\frac{5.8×1{0}^{32}}{{N}_{A}•{a}^{3}}$．

点评 本题考查晶胞的计算，题目难度中等，涉及核外电子排布、杂化方式判断、分子结构、电离能、晶胞结构与计算、熔沸点比较等知识，（3）为易错点、难点，需要学生具备一定的空间想象，注意同周期元素第一电离能异常情况，试题培养了学生的分析能力及灵活应用能力．