Question

7．在人类文明的历程中，改变世界的事物很多，其中铁、硝酸钾、青霉素、二氧化硅等17种物质重点改变过人类世界．
（1）铁原子在基态时，价电子排布式为3d⁶4s²．
（2）硝酸钾中NO₃^-的空间构型为平面正三角形，写出与NO₃^-互为等电子体的一种非极性分子化学式BF₃．

（3）6氨基青霉烷酸的结构如图1所示，其中采用sp³杂化的原子有C、N、O、S．
（4）铁晶体的一种晶胞如图2所示，若Fe的原子半径为r，在这种Fe晶胞中用r表示出这种堆积模型的空间利用率为$\frac{2×\frac{4}{3}×π×{r}^{3}}{（{\frac{4\sqrt{3}}{3}）}^{3}}$×100%．（列式表示，不需化简）．
（5）图3所示为血红素的结构．

血红素中四种非金属元素的电负性由小到大的顺序是H＜C＜N＜O．血红素中两种N原子的杂化方式分别为sp²、sp³．在图4的方框内用“→”标出Fe²⁺的配位键．
（6）如果把晶胞顶点与最近三个面心所围成的空隙叫做四面体空隙，第四周期电负性最小的原子可作为容体掺入C₆₀晶体的空隙中，形成具有良好的超导性的掺杂C₆₀化合物．现把C₆₀ 抽象成质点，该晶体的晶胞结构如图5所示，若每个四面体空隙填入一个原子，则全部填满C₆₀晶体的四面体空隙后，所形成的掺杂C₆₀化合物的化学式为K₂C₆₀．

Answer 1

分析 （1）铁是26号元素，基态原子核外有26个电子，3d、4s能级上电子是其价电子，根据构造原理书写其基态价电子排布式；
（2）根据价层电子对互斥理论确定离子空间构型，原子个数相等价电子数相等的微粒是等电子体，正负电荷重心重合的分子是非极性分子；
（3）根据价层电子对互斥理论确定碳原子杂化方式；
（4）利用均摊法计算晶体中Fe原子数目，根据原子半径计算原子的体积，根据晶胞的边长计算晶胞体积，晶胞的空间利用率=$\frac{晶胞中Fe原子总体积}{晶胞体积}$×100%；
（5）元素的非金属性越强，其电负性越强；根据每个N原子含有的σ 键个数与孤电子对数之和判断其杂化方式；
（6）从图可以看出，晶胞中C₆₀数目=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，晶胞顶点与最近三个面心所围成的空隙叫做四面体空隙，晶胞有8个顶点，则可以形成8个四面体空隙，即可以填充8个K，据此计算．

解答 解：（1）铁是26号元素，基态原子核外有26个电子，3d、4s能级上电子是其价电子，根据构造原理知其价电子排布式为：3d⁶4s²，
故答案为：3d⁶4s²；
（2）NO₃^-中N原子价层电子对=3+$\frac{1}{2}$（5+1-3×2）=3，且不含孤电子对，所以是平面三角形结构，与N0₃^-互为等电子体的一种非极性分子有：BF₃[SO₃（ g）、BBr₃等]，
故答案为：平面正三角形；BF₃；
（3）只要共价单键和孤电子对的和是4的原子就采取sp³杂化，根据图片知，采用sp³杂化的原子有C、N、O、S，故答案为：C、N、O、S；
（4）晶胞为体心立方（堆积），体心立方中含有原子数为1+8×$\frac{1}{8}$=2；晶胞中铁原子的体积为：2×$\frac{4}{3}$×π×r³，体心立方中，体对角线上为三个铁原子相切，则体对角线为4r，晶胞边长为：$\frac{4}{\sqrt{3}}$r=$\frac{4\sqrt{3}}{3}$r，晶胞体积为：（$\frac{4\sqrt{3}}{3}$）³，空间利用率为：$\frac{2×\frac{4}{3}×π×{r}^{3}}{（{\frac{4\sqrt{3}}{3}）}^{3}}$×100%；
故答案为：$\frac{2×\frac{4}{3}×π×{r}^{3}}{（{\frac{4\sqrt{3}}{3}）}^{3}}$×100%；
（5）元素的非金属性越强，其电负性越强，则有电负性C＜O＜N，H的电负性最小，所以电负性：H＜C＜N＜O；血红素中N原子有的含有3个σ 键和一个孤电子对，属于sp³杂化；有的含有3个σ 键，属于sp² 杂化方式；
故答案为：H＜C＜N＜O；sp²和sp³；
（6）从图可以看出，晶胞中C₆₀数目=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，晶胞顶点与最近三个面心所围成的空隙叫做四面体空隙，晶胞有8个顶点，则可以形成8个四面体空隙，即可以填充8个K，则K、C₆₀的数目之比=8：4=2：1，故填充K后所得化合物为K₂C₆₀，
故答案为：K₂C₆₀．

点评 本题是对物质结构的考查，涉及核外电子排布规律、分子结构与性质、杂化轨道、晶胞计算、空间利用率的计算等，需要学生具有一定的空间想象与数学计算能力，难度中等．