Question

【題目】2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給三位開(kāi)發(fā)鋰離子電池的科學(xué)家。鋰離子電池正極材料是決定其性能的關(guān)鍵．

（1）錳酸鋰(LiMn2O4)電池具有原料成本低、合成工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。Li+能量最低的激發(fā)態(tài)離子的電子排布圖為________，該晶體結(jié)構(gòu)中含有Mn4+，基態(tài)Mn4+核外價(jià)層電子占據(jù)的軌道數(shù)為__________________個(gè)。

（2）磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池安全、充電快、使用壽命長(zhǎng)，其中P原子的雜化方式為__________________，陰離子的空間結(jié)構(gòu)為__________________。

（3）三元正極材料摻雜Al3+可使其性能更優(yōu)，第四電離能：Mn__________________Al(填“大于”“小于”)，原因是__________________。

（4）鉍化鋰被認(rèn)為是很有潛力的正極材料，晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。

①晶胞可以看作是由鉍原子構(gòu)成的面心立方晶格，鋰原子填充在其中的四面體和八面體空隙處。晶體的化學(xué)式為__________________，圖中鉍原子坐標(biāo)參數(shù)：A為(0，0，0)， B為(0，1，1)，C為__________________。

②若晶胞參數(shù)為anm，則鉍原子的半徑為__________________nm，八面體間隙中的鋰原子與四面體間隙中的鋰原子之間的最短距離為__________________nm。

Answer 1

【答案】 3 sp3 正四面體 小于 Mn、Al失去的第4個(gè)電子分別是3d4、2p6上的電子，2p6為全滿穩(wěn)定結(jié)構(gòu) Li3Bi（或BiLi3) (，1，)

【解析】

(1)根據(jù)構(gòu)造原理寫出Li+能量最低的激發(fā)態(tài)離子核外電子排布圖，核外價(jià)層電子占據(jù)的軌道數(shù)；

(2)根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論判斷出價(jià)層電子對(duì)數(shù)，確定陰離子的空間結(jié)構(gòu)；

(3)根據(jù)Mn、Al失去的第4個(gè)電子后的結(jié)構(gòu)判斷；

(4)①鋰原子的個(gè)數(shù)位于棱上，個(gè)數(shù)為，鉍原子位于頂點(diǎn)和面心，個(gè)數(shù)為，得到化學(xué)式為：Li3Bi，根據(jù)圖示找到C的坐標(biāo)參數(shù)；

②若晶胞參數(shù)為anm，則鉍原子的半徑為4r=a，八面體間隙中的鋰原子與四面體間隙中的鋰原子之間的最短距離為體對(duì)角線的。

(1)鋰是3號(hào)元素，鋰離子的核外電子排布式為1s2，Li+能量最低的激發(fā)態(tài)離子，將1s上的一個(gè)電子激發(fā)到能量?jī)H比1s高的電子軌道2s，其電子排布圖為；Mn4+的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d3，價(jià)電子占據(jù)的軌道名稱為3d，軌道數(shù)為3個(gè)；

(2)磷酸根的價(jià)層電子對(duì)數(shù)為4+=4對(duì)，P原子的雜化方式為sp3雜化，陰離子沒(méi)有孤對(duì)電子，空間結(jié)構(gòu)為正四面體；

(3)Mn、Al失去的第4個(gè)電子分別是3d4、2p6上的電子，2p6為全滿穩(wěn)定結(jié)構(gòu) ，故第四電離能：Mn小于Al；

(4)①鋰原子的個(gè)數(shù)位于棱上，個(gè)數(shù)為，鉍原子位于頂點(diǎn)和面心，個(gè)數(shù)為，得到化學(xué)式為：Li3Bi；根據(jù)圖示找到C的坐標(biāo)參數(shù)(，1，)；

②若晶胞參數(shù)為anm，則鉍原子的半徑為4r=anm，r=nm，八面體間隙中的鋰原子與四面體間隙中的鋰原子之間的最短距離為體對(duì)角線的，體對(duì)角線的長(zhǎng)度為，八面體間隙中的鋰原子與四面體間隙中的鋰原子之間的最短距離為。