Question

【化學選修3：物質結構與性質】
A-I為原子序數遞增的前4周期的元素，已知A原子的最外層電子是次外層電子數的2倍，D為周期表中電負性最大的元素，F與C位于同一主族，E與G在周期表的位置是上下相連，兩元素所在主族中所有元素都是金屬，H為應用最廣泛的金屬；I處于周期表中的第二副族．請回答下列問題：（以下問題中的所有原子都必須在上述元素中尋找）
（1）B單質分子中σ與π鍵數目比為

 

；B、C、D第一電離能由小到大的順序為

 

；（填寫元素符號）
（2）H元素原子的價層電子排布式為

 

，H³⁺離子可以與上述元素中的三種形成的某陰離子生成血紅色絡合物；該陰離子又與A-I元素中的某些原子形成的分子互為等電子體，這種分子的化學式為

 

（寫一種即可），該陰離子空間構型為

 

；
（3）D與G可以形成如圖的晶胞，則黑點表示的是

 

元素（填寫元素符號），該元素原子在該晶胞中的配位數為

 

；
（4）若將上述晶胞圓圈對應的原子所在上下兩層平面原子，按兩條相互垂直的對角線上各去掉該原子2個（共去掉4個），并將小點和圓圈對應的元素更改為另外兩種元素，則這個晶胞化學式為

 

，若再將留下的所有原子換成另外一種新元素的原子，則成為另外一種晶胞，該晶胞中成鍵原子鍵角為

 

；
（5）已知，F單質晶體的原子堆積為ABAB型，那么，該晶體的空間利用率為

 

如果F單質的摩爾質量為M，晶胞棱長為a，晶胞高度為c則，該晶體密度表達式為

 

．（阿伏加德羅常數用N_A表示，不化簡）如果F的原子半徑為R，用R表示的晶胞高度為

 

．

Answer 1

分析：A-I為原子序數遞增的前4周期的元素，已知A原子的最外層電子是次外層電子數的2倍，則A原子只能有2個電子層，最外層電子數為4，則A為碳元素；D為周期表中電負性最大的元素，則D為氟元素；H為應用最廣泛的金屬，則H為Fe；I處于周期表中的第二副族，則I為Zn．E與G在周期表的位置是上下相連，兩元素所在主族中所有元素都是金屬，結合原子序數可知，處于ⅡA族，E為Mg、G為Ca；結合原子序數可知，B為N元素、C為O元素；F與C位于同一主族，F的原子序數小于Ca，則F為S元素，據此解答．

解答：解：A-I為原子序數遞增的前4周期的元素，已知A原子的最外層電子是次外層電子數的2倍，則A原子只能有2個電子層，最外層電子數為4，則A為碳元素；D為周期表中電負性最大的元素，則D為氟元素；H為應用最廣泛的金屬，則H為Fe；I處于周期表中的第二副族，則I為Zn．E與G在周期表的位置是上下相連，兩元素所在主族中所有元素都是金屬，結合原子序數可知，處于ⅡA族，E為Mg、G為Ca；結合原子序數可知，B為N元素、C為O元素；F與C位于同一主族，F的原子序數小于Ca，則F為S元素，
（1）B單質為N₂，分子中形成N≡N三鍵，含有1個σ鍵、2個π鍵，σ與π鍵數目比為1：2；同周期隨原子序數增大第一電離能呈增大趨勢，但N元素2p能級為半滿穩定狀態，能量較低，第一電離能高于氧元素，故N、O、F第一電離能由小到大的順序為O＜N＜F，
故答案為：1：2；O＜N＜F；
（2）H為Fe元素，原子的價層電子排布式為3d⁶4s²，Fe³⁺離子可以與上述元素中的三種形成的某陰離子生成血紅色絡合物，該陰離子為SCN^-，又與A-I元素中的某些原子形成的分子互為等電子體，等電子體含有相同的原子數目與價電子總數，該分子為CO₂等，價電子總數相同的等電子體空間結構相似，故SCN^-與CO₂的空間結構相似為直線型，
故答案為：3d⁶4s²；CO₂等；直線型；
（3）F與Ca可以形成CaF₂，其晶胞中黑色球數目=8×

1

8

+6×

1

2

=4，白色球數目=8，故黑色球代表Ca元素，由晶胞結構可知，應該F原子周圍有4個Ca原子，即F原子配位數為4，則該Ca原子在該晶胞中的配位數為8，
故答案為：Ca；8；
（4）若將上述晶胞圓圈對應的原子所在上下兩層平面原子，按兩條相互垂直的對角線上各去掉該原子2個（共去掉4個），則圓圈數目為4，黑色球數目=8×

1

8

+6×

1

2

=4，晶胞中原子數目為1：1，并將小點和圓圈對應的元素更改為另外兩種元素，符合ZnS的立方結構，則這個晶胞化學式為ZnS，
若再將留下的所有原子換成另外一種新元素的原子，則成為另外一種晶胞，由晶胞結構（類似金剛石結構）可知，每個原子周圍連接4個原子，形成正四面體型，該晶胞中成鍵原子鍵角為109°28′，
故答案為：ZnS；109°28′；
（5）已知，S單質晶體的原子堆積為ABAB型，為六方最密堆積，晶胞如圖：，
D、C′、A′、B′彼此原子相鄰，構成正四面體結構，晶胞的高度為該正四面體高的2倍，如果F的原子半徑為R，則DA′長為2R，正四面體的高DM，M為正三角形A′B′C′的中心，則A′M的長為

2

3

×（2R×

3

2

）=

2 3 R

3

，則DM的長=

(2R)2-( 2 3 R 3 )2

=

2 6 R

3

，故晶胞的高度=2×

2 6 R

3

=

4 6 R

3

；
S（△A′B′C′）=

1

2

×2R×2R×sin60°=

3

R²，故底面面積為2

3

R²，晶胞的體積=2

3

R²×

4 6 R

3

=8

2

R³，晶胞中含有原子數目為1+8×

1

8

=2，故原子總體積=2×

4

3

×πR³，故晶胞空間利用率=

2× 4 3 πR3

8 2 R3

×100%=74.05%；
如果F單質的摩爾質量為M，晶胞的質量=

2M

NA

，晶胞棱長為a，則S（△A′B′C′）=

1

2

×a×a×sin60°=

1

2

a²sin60°，故底面面積為a²sin60°，晶胞高度為c，則晶胞體積=ca²sin60°，故晶體密度=

2M NA

ca2sin60°

=

2M NA

3 ca2 2

=

2M

NAca2sin60°

，
故答案為：74.05%；

2M

NAca2sin60°

；

4 6 R

3

．

點評：本題考查物質結構與性質，涉及核外電子排布、電離能、晶胞結構與計算等，題目計算量大，對學生的空間想象與數學計算有較高的要求，（4）（5）為易錯點、難點，理解晶胞結構是關鍵，難度較大．