Question

1．（1）Na⁺與Ne互為等電子體，電離能I₂（Na）＞I₁（Ne）（填“＜”、“=”或“＞”）．
（2）第四周期中，與Al原子未成對電子數(shù)相同的金屬元素有4種．氣態(tài)氯化鋁的分子組成為（AlCl₃）₂，分子中所含的化學(xué)鍵類型有共價(jià)鍵、配位鍵，Al原子的雜化方式為sp³雜化．
（3）可燃冰是天然氣水合物，具有籠形結(jié)構(gòu)如圖A（表面的小球是水分子，內(nèi)部的大球是甲烷分子）．水分子成籠的作用力是氫鍵，圖A中最小的環(huán)中連接的原子總數(shù)是10．

可燃冰晶體具有多種籠狀結(jié)構(gòu)，其中一種由1個(gè)圖A所示籠分別用2個(gè)面與另外兩個(gè)相同的籠共面而成，則中間籠實(shí)際占有15個(gè)水分子．
（4）金屬鎂晶體中原子的堆積方式為六方最密堆積如圖B所示，晶胞可用圖C表示．設(shè)金屬鎂的原子半徑為a cm，晶胞的高為b cm，則該晶體的空間利用率為$\frac{4πa}{3\sqrt{3}b}×100%$（寫出計(jì)算式）；設(shè)晶胞中A點(diǎn)原子的坐標(biāo)為（0，0，0），C點(diǎn)原子的坐標(biāo)為（2a，0，0），D點(diǎn)原子的坐標(biāo)為（0，0，b），則B點(diǎn)原子的坐標(biāo)為$（a，\frac{\sqrt{3}a}{3}，\frac{2}）$．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)鈉的正電性較強(qiáng)對核外電子的吸引力比氖更強(qiáng)，要想失去電子需要更多的能量，據(jù)此進(jìn)行分析；
（2）Al原子未成對電子數(shù)為1，氣態(tài)氯化鋁的分子組成為（AlCl₃）₂，存在共價(jià)鍵和配位鍵，這里Al原子與四個(gè)配位的Cl原子連接，是sp³雜化；
（3）水分子成籠的作用力是 分子間作用力，具體表現(xiàn)為氫鍵，A中最小的環(huán)中連接的原子總數(shù)是10；中間籠實(shí)際占有15個(gè)水分子；
（4）空間利用率為晶胞內(nèi)硬球的總體積占晶胞體積的百分比，根據(jù)晶胞A點(diǎn)原子的坐標(biāo)，C點(diǎn)原子坐標(biāo)和D點(diǎn)原子坐標(biāo)解答．

解答 解：（1）根據(jù)鈉的正電性較強(qiáng)對核外電子的吸引力比氖更強(qiáng)，要想失去電子需要更多的能量，因此鈉的第二電離能比氖的更高．故答案為：＞；
（2）Al原子未成對電子數(shù)為1，第四周期各金屬元素中，未成對電子數(shù)也為1的有K，Sc，Cu，Ga，共有4種；氣態(tài)氯化鋁組成為二聚體（AlCl₃）₂，這里Al與4個(gè)配位的Cl成鍵，3個(gè)為共價(jià)鍵，一個(gè)為配位鍵，則分子中含有的化學(xué)鍵類型為共價(jià)鍵、配位鍵，Al的雜化方式為sp³雜化．
故答案為：4，共價(jià)鍵、配位鍵，sp³雜化；
（3）可燃冰是天然氣水合物，具有籠形結(jié)構(gòu)如圖A（表面的小球是水分子，內(nèi)部的大球是甲烷分子），水分子成籠的作用力是 分子間作用力，具體表現(xiàn)為氫鍵；圖A中最小的環(huán)連接有5個(gè)水分子，一個(gè)水分子有2個(gè)原子，因此最小的環(huán)連接的原子數(shù)為5×2=10；可燃冰晶體具有多種籠狀結(jié)構(gòu)，其中一種由1個(gè)圖A所示籠分別用2個(gè)面與另外兩個(gè)相同的籠共面而成，則中間籠有10個(gè)水分子且不均攤，兩個(gè)面與另外的籠是共面關(guān)系，面為正五邊形，5個(gè)水分子，則實(shí)際占有$10+5×2×\frac{1}{2}=15$個(gè)水分子．故答案為：氫鍵，10，15；
（4）六方最密堆積（hcp）不再是立方結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)已經(jīng)不同于立方晶系，六方最密堆積晶胞實(shí)為等徑硬球接觸，上一層嵌于下一層的凹處，上下關(guān)系抽象在晶胞內(nèi)其實(shí)是正四面體關(guān)系，因此晶胞C中虛線所標(biāo)的四個(gè)硬球關(guān)系為正四面體關(guān)系，設(shè)晶胞底邊長為xcm，即$\overline{AC}=xcm$，利用立體幾何知識，不難求出晶胞底邊長與正四面體的高度之間的關(guān)系為$h=\frac{\sqrt{6}}{3}xcm$，這里不妨把B層看成晶胞中層，則晶胞上下兩層關(guān)系與正四面體高h(yuǎn)的關(guān)系，也不難由立體幾何知識求出，為$b=2h=\frac{2\sqrt{6}}{3}xcm$，由于金屬M(fèi)g的原子半徑為acm，根據(jù)硬球接觸模型，$b=\frac{4\sqrt{6}}{3}acm$，對于六方晶胞，一個(gè)晶胞的頂點(diǎn)原子占晶胞的$\frac{1}{8}$，晶胞內(nèi)部原子為整個(gè)晶胞所有，則一個(gè)六方晶胞內(nèi)的原子數(shù)為$8×\frac{1}{8}+1=2$，則一個(gè)晶胞的體積為$V={x}^{2}bsin60°=2\sqrt{3}{a}^{2}b$，一個(gè)晶胞內(nèi)硬球的總體積為${V}_{0}=2×\frac{4}{3}π{a}^{3}=\frac{8π{a}^{3}}{3}$，則空間利用率為$\frac{{V}_{0}}{V}×100%$=$\frac{4πa}{3\sqrt{3}b}×100%$，其實(shí)算到這里就可以了，如接著算下去，可以發(fā)現(xiàn)空間利用率為$\frac{4πa}{3\sqrt{3}b}×100%=\frac{\sqrt{2}}{6}π×100%=74.05%$，這就是六方最密堆積（hcp）的空間利用率！
晶胞中A點(diǎn)原子的坐標(biāo)為（0，0，0），C點(diǎn)原子的坐標(biāo)為（2a，0，0），D點(diǎn)原子的坐標(biāo)為（0，0，b），B處于正四面體頂角原子處，根據(jù)立體幾何知識，不難求出B原子的原子坐標(biāo)為（$a，\frac{\sqrt{3}a}{3}，\frac{2}$）．
故答案為：$\frac{4πa}{3\sqrt{3}b}×100%$，$（a，\frac{\sqrt{3}a}{3}，\frac{2}）$．

點(diǎn)評 本題考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識，包含電離能的比較，元素周期表，雜化軌道理論，價(jià)鍵類型判斷，以及晶胞計(jì)算．本題（3），（4）問難度較大，需要有扎實(shí)的晶體化學(xué)知識，靈活運(yùn)用均攤法，同時(shí)也要有足夠的空間想象能力和立體幾何知識，而空間利用率和原子坐標(biāo)都是大學(xué)無機(jī)化學(xué)的知識，難度還是有的．另外，對于六方晶胞，需要注意區(qū)別于立方晶胞，思維需改變過來，否則就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的錯(cuò)誤．本題考查知識點(diǎn)較為綜合，是中檔題．