Question

10．已知A、B、C、D、E都是周期表中前四周期的元素，它們的核電荷數依次增大．其中A原子核外有三個未成對電子； B元素是地殼中含量最多的金屬元素；C原子核外的M層中有兩對成對電子；D是使用最廣泛的合金的主要成分．E原子核外最外層只有1個電子，其余各層電子均充滿．請根據以上信息，回答下列問題：（答題時，A、B、C、D、E用所對應的元素符號表示）
（1）E⁺離子的最外層電子排布式3s²3p⁶3d¹⁰，A、B、C的第一電離能最小的是Al
（2）A的最高價含氧酸分子中心原子是sp²雜化．
（3）A、B形成某種化合物的晶胞結構如下圖一所示（“O”表示B原子），則其化學式為AlN，一個B原子周圍距離最近且等距的B原子有12個．B原子的堆積方式與下圖中的圖三相同．（填“圖二”或“圖三”）

（4）1183K以下D晶體的晶胞為鉀型，而1183K以上則轉變為銅型，在兩種晶胞中最鄰近的D原子間距離相同，則兩種晶體中原子的空間利用率之比為$\frac{3\sqrt{6}}{8}$（可用根號表示）．
（5）開發新型儲氫材料是氫能利用的重要研究方向．分子X可以通過氫鍵形成“籠狀結構”而成為潛在的儲氫材料．X一定不是BC（填標號）．
A．H₂O           B．CH₄           C．HF        D．CO（NH₂）₂．

Answer 1

分析 A、B、C、D、E都是周期表中前四周期的元素，它們的核電荷數依次增大，B元素是地殼中含量最多的金屬元素，則B是Al元素；
A原子核外有三個未成對電子，A為第VA族元素，A原子序數小于B，則A是N元素；
C原子核外的M層中有兩對成對電子，則C是Si元素；
D是使用最廣泛的合金的主要成分，則D是Fe元素；
E原子核外最外層只有1個電子，其余各層電子均充滿，則E是Cu元素；
（1）E是Cu元素，其原子核外有29個電子，失去一個電子生成亞銅離子，M層為最外層，3s、3p、3d能級分別有2、6、10個電子；
A、B、C分別是N、Al、Si元素，元素的金屬性越強，其第一電離能越小；
（2）A的最高價含氧酸是HNO₃，N原子價層電子對個數是3且不含孤電子對，根據價層電子對互斥理論判斷N原子雜化方式；
（3）該晶胞中，鋁離子個數=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，氧離子個數=4，根據鋁離子和氧離子個數之比確定化學式；
一個Al離子周圍距離最近的Al離子個數=3×8×$\frac{1}{2}$；B晶胞是面心立方最密堆積；
（4）鉀型晶胞中Fe原子個數=1+8×$\frac{1}{8}$=2，設Fe原子半徑為x，晶胞棱長=$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}$，晶胞體積=（$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}$）³，鐵原子總體積=$\frac{4}{3}π{x}^{3}×2$，空間利用率=$\frac{\frac{4}{3}π{x}^{3}×2}{（\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}）^{3}}$；
Cu型晶胞中鐵原子個數=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，鐵原子總體積=$\frac{4}{3}π{x}^{3}×4$，晶胞棱長=$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}$，晶胞體積=（$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}$）³，空間利用率=$\frac{\frac{4}{3}π{x}^{3}×4}{（\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}）^{3}}$；
（5）CH₄分子間沒有氫鍵，HF分子間只能形成鏈狀結構．

解答 解：A、B、C、D、E都是周期表中前四周期的元素，它們的核電荷數依次增大，B元素是地殼中含量最多的金屬元素，則B是Al元素；
A原子核外有三個未成對電子，A為第VA族元素，A原子序數小于B，則A是N元素；
C原子核外的M層中有兩對成對電子，則C是Si元素；
D是使用最廣泛的合金的主要成分，則D是Fe元素；
E原子核外最外層只有1個電子，其余各層電子均充滿，則E是Cu元素；
（1）E是Cu元素，其原子核外有29個電子，失去一個電子生成亞銅離子，M層為最外層，3s、3p、3d能級分別有2、6、10個電子，亞銅離子最外層電子排布式為3s²3p⁶3d¹⁰；
A、B、C分別是N、Al、Si元素，元素的金屬性越強，其第一電離能越小，這三種元素中金屬性最強的是Al，所以第一電離能最小的是Al；
故答案為：3s²3p⁶3d¹⁰；Al；
（2）A的最高價含氧酸是HNO₃，N原子價層電子對個數是3且不含孤電子對，根據價層電子對互斥理論值N原子雜化方式為sp²，故答案為：sp²；
（3）該晶胞中，鋁離子個數=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，氧離子個數=4，鋁離子和氧離子個數之比=4：4=1：1，所以化學式為AlN；
一個Al離子周圍距離最近的Al離子個數=3×8×$\frac{1}{2}$=12；B晶胞是面心立方最密堆積，所以為圖三，
故答案為：AlN；12；圖三；
（4）鉀型晶胞中Fe原子個數=1+8×$\frac{1}{8}$=2，設Fe原子半徑為x，晶胞棱長=$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}$，晶胞體積=（$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}$）³，鐵原子總體積=$\frac{4}{3}π{x}^{3}×2$，空間利用率=$\frac{\frac{4}{3}π{x}^{3}×2}{（\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}）^{3}}$；
Cu型晶胞中鐵原子個數=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，鐵原子總體積=$\frac{4}{3}π{x}^{3}×4$，晶胞棱長=$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}$，晶胞體積=（$\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}$）³，空間利用率=$\frac{\frac{4}{3}π{x}^{3}×4}{（\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}）^{3}}$，則鉀型與銅型原子利用率之比=$\frac{\frac{4}{3}π{x}^{3}×2}{（\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{3}}）^{3}}$：$\frac{\frac{4}{3}π{x}^{3}×4}{（\sqrt{\frac{（4x）^{2}}{2}}）^{3}}$=$\frac{3\sqrt{6}}{8}$，
故答案為：$\frac{3\sqrt{6}}{8}$；
（5）CH₄分子間沒有氫鍵不能形成“籠狀結構”，每個HF只能形成2個氫鍵，所以HF分子間只能形成鏈狀結構，故選BC．

點評 本題考查物質結構和性質，為高頻考點，涉及晶胞計算、氫鍵、原子核外電子排布、元素周期律等知識點，側重考查計算能力及空間想象能力，難點是（4）題空間利用率的計算，正確判斷哪幾個原子緊貼在一起是解該題關鍵，題目難度中等．