Question

11．已知A、B、C、D 是原子序數依次增大的四種短周期元素，B 的基態原子中電子占據三種能量不同的原子軌道，且每種軌道中的電子總數相同；D 原子有2 個未成對電子．A、B、D 三種元素組成的一種化合物M 是新裝修居室中常含有的一種有害氣體．E 是第四周期元素，其原子核外最外層電子數與A 原子相同，其余各層電子均充滿．
請回答下列問題（用元素符號或化學式表示）：
（1）元素B、C、D 的基態原子的第一電離能由大到小的順序為N＞O＞C．
（2）M 分子中B 原子軌道的雜化類型為sp²．
（3）E 的核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰，如圖1是由D、E 形成的某種化合物的晶胞結構示意圖，該晶體1 個晶胞中陽離子的個數為4．

（4）化合物CA₃的沸點比化合物BA₄的高，其主要原因是NH₃分子間能形成氫鍵．
（5）寫出與BD₂互為等電子體的C₃^-的結構式[N=N=N]^-．
（6）微生物燃料電池是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置．最早用于有機廢水處理，圖2是利用微生物燃料電池處理含M 廢水的裝置，其中3 是質子交換膜．負極所在的左室中發生反應的電極反應式是HCHO-4e^-+H₂O=CO₂+4H⁺．
（7）鐵粉和E 單質粉末的均勻混合物，平均分成四等份，分別加入同濃度的稀硝酸，充分反應，在標準狀況下生成NO 的體積和剩余金屬的質量如表（假設硝酸的還原產物只有NO）．則稀硝酸的濃度為4mol/L．

編號	①	②	③	④
稀硝酸的體積/mL	100	200	300	400
剩余金屬的質量/g	18.0	9.6	0	0
NO 的體積/mL	2240	4480	6720	V

Answer 1

分析 A、B、C、D是原子序數依次增大的四種短周期元素，B的基態原子中電子占據三種能量不同的原子軌道，且每種軌道中的電子總數相同，核外電子排布為1s²2s²2p²，故B為碳元素；D原子有2個未成對電子，A、B、D三種元素組成的一種化合物M是新裝修居室中常含有的一種有害氣體，M為HCHO，則A為H元素、D為O元素；C原子序數介于碳、氧之間，故C為N元素；E是第四周期元素，其原子核外最外層電子數與A原子相同，其余各層電子均充滿，核外電子排布為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，則E為Cu．
（1）同周期隨原子序數增大，第一電離能呈增大趨勢，但原子處于全滿、半滿、全空時，能量較低，第一電離能高于同周期相鄰元素；
（2）M為HCHO，根據分子中C原子σ鍵數目、孤電子對數確定雜化軌道數目，進而確定雜化方式；
（3）Cu失去4s能級1個電子形成Cu⁺；由晶胞結構可知，Cu⁺位于晶胞內部；
（4）分子之間存在氫鍵會使物質的熔沸點升高；
（5）CO₂、N₃^-互為等電子體，二者結構相似，N₃^-中N原子之間形成2對共用電子對；
（6）負極發生氧化反應，由圖可知，HCHO發生氧化反應生成二氧化碳，由守恒守恒可知還生成H⁺；
（7）由表中數據可知，實驗①②都有金屬剩余，硝酸完全反應，則溶液中不可能含有硝酸鐵，溶液中金屬離子為+2價，在實驗①的基礎上加入100mL硝酸，參加反應的金屬的質量為18g-9.6g=8.4g，生成NO的體積為4480mL-2240mL=2240mL，NO物質的量為0.1mol，根據電子轉移守恒可知，參加反應金屬的物質的量為$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，參加反應金屬的平均摩爾質量為$\frac{8.4g}{0.15mol}$=56g/mol，故該過程只有Fe參加反應，故實驗①只有Fe參與反應，發生反應為：3Fe+8HNO₃═3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，根據NO的體積結合方程式計算硝酸的物質的量，進而計算硝酸的物質的量濃度．

解答 解：A、B、C、D是原子序數依次增大的四種短周期元素，B的基態原子中電子占據三種能量不同的原子軌道，且每種軌道中的電子總數相同，核外電子排布為1s²2s²2p²，故B為碳元素；D原子有2個未成對電子，A、B、D三種元素組成的一種化合物M是新裝修居室中常含有的一種有害氣體，M為HCHO，則A為H元素、D為O元素；C原子序數介于碳、氧之間，故C為N元素；E是第四周期元素，其原子核外最外層電子數與A原子相同，其余各層電子均充滿，核外電子排布為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，則E為Cu．
（1）同周期隨原子序數增大，第一電離能呈增大趨勢，但N原子2P能級為半滿穩定狀態，能量較低，第一電離能高于同周期相鄰元素，故第一電離能：N＞O＞C，故答案為：N＞O＞C；
（2）M為HCHO，分子中C原子形成3個σ鍵、沒有孤電子對，故雜化軌道數目為3，C原子采取sp²雜化方式，故答案為：sp²；
（3）Cu失去4s能級1個電子形成Cu⁺，基態核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰，由晶胞結構可知，Cu⁺位于晶胞內部，晶胞中含有4個Cu⁺，故答案為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰；4；
（4）NH₃分子間能形成氫鍵，甲烷分子之間為分子間作用力，氫鍵比分子間作用力強，故NH₃的沸點比CH₄的高，故答案為：NH₃分子間能形成氫鍵；
（5）CO₂、N₃^-互為等電子體，二者結構相似，N₃^-中N原子之間形成2對共用電子對，N₃^-的結構式[N=N=N]^-，故答案為：[N=N=N]^-；
（6）負極發生氧化反應，由圖可知，HCHO發生氧化反應生成二氧化碳，由守恒守恒可知還生成H⁺，負極所在的左室中發生反應的電極反應式是：HCHO-4e^-+H₂O=CO₂+4H⁺，故答案為：HCHO-4e^-+H₂O=CO₂+4H⁺；
（7）由表中數據可知，實驗①②都有金屬剩余，硝酸完全反應，則溶液中不可能含有硝酸鐵，溶液中金屬離子為+2價，在實驗①的基礎上加入100mL硝酸，參加反應的金屬的質量為18g-9.6g=8.4g，生成NO的體積為4480mL-2240mL=2240mL，NO物質的量為0.1mol，根據電子轉移守恒可知，參加反應金屬的物質的量為$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，參加反應金屬的平均摩爾質量為$\frac{8.4g}{0.15mol}$=56g/mol，故該過程只有Fe參加反應，故實驗①只有Fe參與反應，實驗①發生反應為：3Fe+8HNO₃═3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，生成NO的物質的量為$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，根據方程式可知，參加反應的硝酸的物質的量為0.1mol×4=0.4mol，故硝酸的物質的量濃度為$\frac{0.4mol}{0.1L}$=4mol/L，故答案為：4．

點評 本題考查物質結構問題、混合物的有關計算、原電池原理等，（7）中根據表中數據判斷各階段發生的反應是解題關鍵，側重對學生綜合能力的考查，本題過程復雜、計算量較大，為易錯題目，難度較大．