Question

15．已知X、Y和Z三種元素的原子序數(shù)之和等于42．X元素原子的4p軌道上有3個未成對電子，Y元素原子的最外層2p軌道上有2個未成對電子．X跟Y可形成化合物X₂Y₃，Z元素可以形成負一價離子．元素M為第四周期元素，M原子核外最外層只有1個電子，其余各層電子均充滿．請回答下列問題：
（1）向MSO₄溶液中加入過量NaOH溶液生成離子[M（OH）₄]^2-．若不考慮空間構型，則[M（OH）₄]^2-的結構可用示意圖表示為；N₃^-和CO₂是等電子體，則N₃^-的結構式為[N=N=N]^-．
（2）Y元素原子外圍電子排布圖為．
（3）X與Z可形成化合物XZ₃，該化合物的空間構型為三角錐形．
（4）已知由元素X與鎵元素組成的化合物A為第三代半導體．已知化合物A的晶胞結構與金剛石相似，其中X原子位于立方體內，鎵原子位于立方體頂點和面心，請寫出化合物A的化學式GaAs；化合物A可由（CH₃）₃Ga和XZ₃在700℃下反應制得，反應的化學方程式為（CH₃）₃Ga+AsH₃$\frac{\underline{\;700℃\;}}{\;}$GaAs+3CH₄ ．
（5）已知鋁與鎵元素位于同一主族，金屬鋁屬立方晶系，其晶胞邊長為405pm，密度是2.70g•cm^-3，通過計算確定其晶胞的類型面心立方最密堆積（填簡單立方堆積、體心立方堆積或面心立方最密堆積）；晶胞中距離最近的鋁原子可看作是接觸的，計算鋁的原子半徑r（A1）=143.17pm．（計算結果保留小數(shù)點后兩位；已知：405³≈6.64×10⁷，$\sqrt{2}$=1.414）

Answer 1

分析 X元素原子的4p軌道上有3個未成對電子，X元素原子的核外電子排布式為 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³，處于第四周期第ⅤA族，故X為As元素；Y元素原子的最外層2p軌道上有2個未成對電子，Y的2p軌道上有2個電子或4個電子，所以Y為碳元素或氧元素，X跟Y可形成化合物X₂Y₃，故Y為氧元素；X、Y和Z三種元素的原子序數(shù)之和等于42，則Z的質子數(shù)為42-8-33=1，則Z為氫元素，氫原子可以形成負一價離子，符合題意．
（1）[Cu（OH）₄]^2-的中銅離子與氫氧根離子之間形成配位鍵，N₃^-和CO₂是等電子體，則N₃^-中N原子之間形成2對共用電子對；
（2）Y為O元素，原子外圍電子排布為2s²2p⁴，結合泡利不相容原理與洪特規(guī)則畫出外圍電子排布圖；
（3）X與Z可形成化合物AsH₃，空間結構與氨氣結構類似；
（4）As與鎵元素組成的化合物A的晶胞結構與金剛石相似，其中As原子位于立方體內，鎵原子位于立方體頂點和面心，晶胞中Ga原子數(shù)目=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4、As原子數(shù)目=4，故該化合物化學式為GaAs，由（CH₃）₃Ga和AsH₃在700℃下反應制得，由原子守恒可知有甲烷生成；
（5）根據(jù)密度、晶胞邊長計算每個晶胞中含有的鋁原子個數(shù)，根據(jù)鋁原子個數(shù)判斷晶胞類型，進而計算鋁原子半徑．

解答 解：X元素原子的4p軌道上有3個未成對電子，X元素原子的核外電子排布式為 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³，處于第四周期第ⅤA族，故X為As元素；Y元素原子的最外層2p軌道上有2個未成對電子，Y的2p軌道上有2個電子或4個電子，所以Y為碳元素或氧元素，X跟Y可形成化合物X₂Y₃，故Y為氧元素；X、Y和Z三種元素的原子序數(shù)之和等于42，則Z的質子數(shù)為42-8-33=1，則Z為氫元素，氫原子可以形成負一價離子，符合題意．
（1）[Cu（OH）₄]^2-的中銅離子與氫氧根離子之間形成配位鍵，其結構可用示意圖表示，N₃^-和CO₂是等電子體，則N₃^-中N原子之間形成2對共用電子對，故其結構式為[N=N=N]^-，
故答案為：；[N=N=N]^-；
（2）Y為O元素，原子外圍電子排布為2s²2p⁴，外圍電子排布圖為，
故答案為：；
（3）X與Z可形成化合物AsH₃，與氨氣結構類似，該化合物的空間構型為三角錐形，故答案為：三角錐形；
（4）金剛石的晶胞結構為，As與鎵元素組成的化合物A的晶胞結構與金剛石相似，其中As原子位于立方體內，鎵原子位于立方體頂點和面心，晶胞中Ga原子數(shù)目=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4、As原子數(shù)目=4，故該化合物化學式為GaAs，由（CH₃）₃Ga和AsH₃在700℃下反應制得，由原子守恒可知有甲烷生成，反應的化學方程式為：（CH₃）₃Ga+AsH₃$\frac{\underline{\;700℃\;}}{\;}$GaAs+3CH₄ ，
故答案為：GaAs；（CH₃）₃Ga+AsH₃$\frac{\underline{\;700℃\;}}{\;}$GaAs+3CH₄ ；
（5）晶胞質量為2.70g•cm^-3×（405×10^-10cm）³，晶胞中Al原子數(shù)目為N（Al），則N（Al）×$\frac{27}{6.02×1{0}^{23}}$g=2.70g•cm^-3×（405×10^-10cm）³，解得N（Al）=4，該晶胞的每個頂點上和每個面上都含有一個Al原子，為面心立方晶胞；
面心立方晶胞中，每個面的對角線上三個原子緊挨著，所以對角線長度=$\sqrt{2}$×405pm，對角線為四個Al原子半徑之和，所以每個鋁原子半徑=$\frac{1}{4}$×$\sqrt{2}$×405pm=143.17pm，
故答案為：面心立方最密堆積；143.17．

點評 本題是對物質結構的考查，涉及配合物、核外電子排布、分子構型、等電子體、晶胞有關計算等，晶胞的計算為難點、易錯點，需要學生熟練掌握常見晶胞結構、具有一定的空間想象與數(shù)學計算能力．