Question

【題目】氮化鋁(AlN)陶瓷是一種新型無(wú)機(jī)非金屬材料， 最高可穩(wěn)定到2473K， 導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小，是良好的耐熱沖擊材料。制取原理為：Al2O3+3C+N22A1N+3CO，回答下列問(wèn)題：

(1)氮化鋁的晶體類型為________。在上述化學(xué)方程式中第二周期元素的第一電離能由小到大的順序是______。

(2)基態(tài)氧原子電子占據(jù)最高能級(jí)的原子軌道的形狀是________，未成對(duì)電子數(shù)為________。

(3)等電子體具有相似的結(jié)構(gòu)。CO與N2互為等電子體，CO分子中σ鍵與π鍵數(shù)目之比為_______。

(4)Cu2+處于：[Cu(NH3)4]2+的中心，若將配離子[Cu(NH3)4]2+中的2個(gè)NH3換為CN-，則有2種結(jié)構(gòu)，則Cu2+是否為sp3雜化________（填“是”或“否”）理由為_________。

(5)AlN晶體結(jié)構(gòu)如圖所示，1個(gè)Al原子周圍距離最近的Al原子數(shù)為______個(gè)；若晶胞結(jié)構(gòu)的高為a nm， 底邊長(zhǎng)為b nm，NA表示阿伏伽德羅常數(shù)的值，則其密度為_______g.cm-3(列出計(jì)算式)。

Answer 1

【答案】原子晶體 C<O<N 啞鈴形(或紡錘形) 2 1：2 否 若是sp3雜化[Cu(NH3)4]2+的空間構(gòu)型為正四面體形，將配離子[Cu(NH3)4]2+中的2個(gè)NH3換為CN-，則只有1種結(jié)構(gòu) 12

【解析】

(1)原子晶體的熔沸點(diǎn)較高、硬度大，同一周期元素的電離能呈增大趨勢(shì)；

(2)根據(jù)O原子核外電子排布及各個(gè)能級(jí)的原子軌道的形狀確定未成對(duì)電子數(shù)目；

(3)等電子體結(jié)構(gòu)相似，結(jié)合共價(jià)單鍵都是σ鍵與π鍵，共價(jià)雙鍵一個(gè)是σ鍵，1個(gè)是π鍵；共價(jià)三鍵1個(gè)σ鍵個(gè)2個(gè)π鍵分析；

(4)根據(jù)將配離子[Cu(NH3)4]2+中的2個(gè)NH3換為CN-，有2種結(jié)構(gòu)，判斷Cu2+中原子雜化類型；

(5)利用均攤方法計(jì)算一個(gè)晶胞中含有的離Al原子最近的Al原子個(gè)數(shù)，先計(jì)算一個(gè)晶胞中含有的Al、N原子數(shù)目，然后根據(jù)晶胞密度計(jì)算公式計(jì)算。

(1)由于原子晶體的熔沸點(diǎn)較高、硬度大，而氮化鋁(AlN)陶瓷最高可穩(wěn)定到2473K，說(shuō)明原子間結(jié)合力強(qiáng)，熔沸點(diǎn)高，屬于原子晶體；在上述反應(yīng)中涉及到的第二周期的元素有C、N、O三種元素，同一元素的電離能隨原子序數(shù)的增大而增大，但由于N原子最外層的p電子處于半充滿的穩(wěn)定狀態(tài)，不容易失去電子，屬于其第一電離能比相鄰的O元素要大，故三種元素的第一電離能由小到大的順序是C<O<N；

(2)O是8號(hào)元素，核外電子排布為1s22s22p4，可見(jiàn)基態(tài)氧原子電子占據(jù)最高能級(jí)是2p能級(jí)，其原子軌道的形狀是啞鈴形(或紡錘形)，由于2p軌道數(shù)目是3 個(gè)，原子核外電子總是盡可能成單排列，而且自旋方向相同，一個(gè)軌道最多可容納2個(gè)電子，自旋方向相反，所以未成對(duì)電子數(shù)為2個(gè)；

(3) N2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式是N≡N，等電子體具有相似的結(jié)構(gòu)。CO與N2互為等電子體，所以CO分子中含有1個(gè)σ鍵和2個(gè)π鍵，因此CO分子中σ鍵與π鍵數(shù)目之比為1：2；

(4)由于將配離子[Cu(NH3)4]2+中的2個(gè)NH3換為CN-，有2種結(jié)構(gòu)，說(shuō)明[Cu(NH3)4]2+形成是平面正方形結(jié)構(gòu)，Cu2+在平面正方形對(duì)角線的交點(diǎn)上；若是Cu2+采用sp3雜化，由于正四面體任何兩個(gè)頂點(diǎn)都處于相鄰位置，那么[Cu(NH3)4]2+的空間構(gòu)型為正四面體形，將配離子[Cu(NH3)4]2+中的2個(gè)NH3換為CN-，則只有1種結(jié)構(gòu)，所以Cu2+不是采用sp3雜化；

(5)由晶體結(jié)構(gòu)示意圖可知與Al原子連接的N原子構(gòu)成的是正四面體結(jié)構(gòu)，與N原子連接的Al原子構(gòu)成的也是正四面體結(jié)構(gòu)，則晶體中若Al原子處于立方體頂點(diǎn)上，可截圖為，可見(jiàn)頂點(diǎn)Al原子到面心最近Al原子最近，在一個(gè)晶胞中有3個(gè)這種Al原子，且通過(guò)該Al原子可形成8個(gè)晶胞，每個(gè)Al原子被計(jì)算了2次，因此與1個(gè)Al原子周圍距離最近的Al原子數(shù)為=12個(gè)；也可以按照題圖畫(huà)實(shí)線部分截圖為。在該結(jié)構(gòu)圖中，底面為菱形，處于對(duì)位的兩個(gè)頂角分別為60°、120°，其中含有Al原子個(gè)數(shù)為Al：=2，含有N原子數(shù)目為N：=2，因此一個(gè)該結(jié)構(gòu)中含有2個(gè)AlN，底面面積為S=b×(10-7 cm) b×(10-7 cm)=b2×10span>-14 cm2，晶胞高為a nm=a×10-7 cm，則該結(jié)構(gòu)體積V=b2×10-21 cm3，該結(jié)構(gòu)質(zhì)量m=g，所以該結(jié)構(gòu)(即晶胞)的密度為=g/cm3。