Question

16．X、Y、Z、W四種元素原子序數(shù)依次增大且均小于36．Z基態(tài)原子最外層電子數(shù)是其內(nèi)層電子總數(shù)的3倍，Y基態(tài)原子是同周期元素中未成對(duì)電子數(shù)最多的原子，X分別與Y、Z元素組合均可形成10電子微粒，W基態(tài)原子有10個(gè)價(jià)電子．回答下列問題（以下問題均以推知元素符號(hào)作答）：
（1）若YX₃與X₂Z、YX₂^-與ZX^-、Y^3-與Z^2-性質(zhì)相似，請(qǐng)寫出Mg（YX₂）₂在一定條件下分解的化學(xué)方程式：3Mg（NH₂）₂═Mg₃N₂+4NH₃↑．
（2）已知0℃時(shí)，X₂Z的密度為a g•cm^-3，其晶胞中X₂Z分子的空間排列方式與金剛石晶胞類似，相似的原因是水中的O和金剛石中的C都是sp³雜化，且水分子間的氫鍵具有方向性，每個(gè)水分子可與相鄰的4個(gè)水分子形成氫鍵．兩個(gè)X₂Z分子間的最近距離為$\frac{\sqrt{3}}{4}$×$\root{3}{\frac{144}{a{N}_{A}}}$×10¹⁰pm（用a和N_A表示）．已知X₂Z的升華熱是51kJ•mol^-1，除氫鍵外，X₂Z分子間還存在范德華力（11kJ•mol^-1），則X₂Z晶體中氫鍵的“鍵能”是20kJ•mol^-1．
（3）WZ是一種功能材料，已被廣泛用于電池電極、催化劑、半導(dǎo)體、玻璃染色劑等方面．工業(yè)上常以W（YZ₃）₂•6X₂Z和尿素[CO（NH₂）₂]為原料制備．
①W²⁺的基態(tài)核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸，其核外電子有26種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．
②尿素分子中碳原子的雜化方式為sp²雜化，1mol尿素分子中含有的σ鍵數(shù)目為7×6.02×10²³．
③YZ₃^-的空間構(gòu)型為平面正三角形．
④WZ晶體的結(jié)構(gòu)與NaCl相同，但天然的和絕大部分人工制備的晶體都存在各種缺陷，例如在某種WZ晶體中就存在如圖所示的缺陷：一個(gè)W²⁺空缺，另有兩個(gè)W²⁺被兩個(gè)W³⁺所取代．其結(jié)果晶體仍呈電中性，但化合物中W和Z的比值卻發(fā)生了變化．經(jīng)測(cè)定某樣品中W³⁺與W²⁺的離子數(shù)之比為6：91．若該晶體的化學(xué)式為W_xZ，則x=0.97．

Answer 1

分析 X、Y、Z、W四種元素原子序數(shù)依次增大且均小于36． Z基態(tài)原子最外層電子數(shù)是其內(nèi)層電子總數(shù)的3倍，只能有2個(gè)電子層，最外層電子數(shù)為6，則Z為O元素；Y原子序數(shù)小于O元素，其基態(tài)原子是同周期元素中未成對(duì)電子數(shù)最多的原子，處于ⅤA族，故Y為N元素；X分別與N、O元素組合均可形成10電子微粒，則X為H元素；W基態(tài)原子有10個(gè)價(jià)電子，為過渡元素，外圍電子排布式為3d⁸4s²，故W為Ni，然后結(jié)合元素化合物知識(shí)及原子結(jié)構(gòu)解答．

解答 解：X、Y、Z、W四種元素原子序數(shù)依次增大且均小于36． Z基態(tài)原子最外層電子數(shù)是其內(nèi)層電子總數(shù)的3倍，只能有2個(gè)電子層，最外層電子數(shù)為6，則Z為O元素；Y原子序數(shù)小于O元素，其基態(tài)原子是同周期元素中未成對(duì)電子數(shù)最多的原子，處于ⅤA族，故Y為N元素；X分別與N、O元素組合均可形成10電子微粒，則X為H元素；W基態(tài)原子有10個(gè)價(jià)電子，為過渡元素，外圍電子排布式為3d⁸4s²，故W為Ni，
（1）若 NH₃與H₂O﹑NH₂^-與OH^-﹑N^3-與O^2-性質(zhì)相似，則Mg（NH₂）₂與氫氧化鎂性質(zhì)相似，一定條件下分解生成Mg₃N₂、NH₃，化學(xué)反應(yīng)方程式為：3 Mg（NH₂）₂═Mg₃N₂+4NH₃↑，
故答案為：3Mg（NH₂）₂═Mg₃N₂+4NH₃↑；
（2）已知0℃時(shí)H₂O的密度為a g/cm³，其晶胞中H₂O分子的空間排列方式與金剛石晶胞類似，相似的原因是：水中的O和金剛石中的C都是sp³雜化，且水分子間的氫鍵具有方向性，每個(gè)水分子可與相鄰的4個(gè)水分子形成氫鍵；
晶胞中水分子位于頂點(diǎn)、面心上，晶胞內(nèi)部還有4個(gè)水分子，故晶胞中水分子數(shù)目=4+8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=8，則晶胞質(zhì)量=$\frac{8×18}{{N}_{A}}$g，晶胞棱長(zhǎng)=$\root{3}{\frac{\frac{8×18}{{N}_{A}}g}{ag/c{m}^{3}}}$=$\root{3}{\frac{144}{a{N}_{A}}}$cm，內(nèi)部1個(gè)水分子與1個(gè)頂點(diǎn)水分子以及該頂點(diǎn)所在3個(gè)面的面心中水分子構(gòu)成正四面體，則正四面體的棱長(zhǎng)=$\sqrt{2}$×$\root{3}{\frac{144}{a{N}_{A}}}$cm×$\frac{1}{2}$=$\frac{\sqrt{2}}{2}$×$\root{3}{\frac{144}{a{N}_{A}}}$cm，令正四面體體心水分子到頂點(diǎn)距離為y，即水分子分子之間的距離y，到底面的距離為b，正四面體可以分成相同的4個(gè)四面體（由體心水分子與3個(gè)頂點(diǎn)水分子構(gòu)成），則$\frac{1}{3}$πS（y+b）=4×$\frac{1}{3}$×πSb，故y=3b，假設(shè)棱長(zhǎng)$\frac{\sqrt{2}}{2}$×$\root{3}{\frac{144}{a{N}_{A}}}$為n，底面中心到頂點(diǎn)距離=$\frac{\sqrt{3}}{2}$n cm×$\frac{2}{3}$=$\frac{\sqrt{3}}{3}$n cm，故（$\frac{\sqrt{3}}{3}$n）²+（4b）²=n²，解得b=$\frac{\sqrt{6}}{12}$n，故y=3b=3×$\frac{\sqrt{6}}{12}$×$\frac{\sqrt{2}}{2}$×$\root{3}{\frac{144}{a{N}_{A}}}$cm=$\frac{\sqrt{3}}{4}$×$\root{3}{\frac{144}{a{N}_{A}}}$cm=×$\root{3}{\frac{144}{a{N}_{A}}}$×10¹⁰pm；
冰的升華熱是51kJ/mol，水分子間還存在范德華力（11kJ/mol），1mol水中含有2mol氫鍵，升華熱=范德華力+氫鍵，所以冰晶體中氫鍵的“鍵能”=$\frac{1}{2}$×（51kJ/mol-11kJ/mol）=20kJ/mol，
故答案為：水中的O和金剛石中的C都是sp³雜化，且水分子間的氫鍵具有方向性，每個(gè)水分子可與相鄰的4個(gè)水分子形成氫鍵；$\frac{\sqrt{3}}{4}$×$\root{3}{\frac{144}{a{N}_{A}}}$×10¹⁰；20；
（3）①Ni是28號(hào)元素，根據(jù)原子核外電子排布規(guī)律可知，Ni²⁺的基態(tài)核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸，每個(gè)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都不相同，核外電子有26種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
故答案為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸；26；
②尿素分子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為，所以尿素分子中碳原子的雜化方式為sp²雜化，每個(gè)分子中含有7個(gè)σ鍵，所以1mol尿素中含有7molσ鍵，含有的σ鍵數(shù)為7×6.02×10²³，
故答案為：sp²；7×6.02×10²³；
③NO₃^-中N原子孤電子對(duì)=$\frac{5+1-2×3}{2}$=0、價(jià)層電子對(duì)數(shù)=0+3=3，其空間構(gòu)型平面正三角形，
故答案為：平面正三角形；
④因?yàn)檠趸�鎳樣品中Ni³⁺與Ni²⁺的離子數(shù)之比為6：91，所以鎳元素的平均價(jià)為$\frac{6×3+91×2}{6+91}$=$\frac{200}{97}$根據(jù)化合物化合價(jià)代數(shù)各為零，得$\frac{200}{97}$x=2，則x=0.97，
故答案為：0.97．

點(diǎn)評(píng) 本題是對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的考查，涉及晶胞計(jì)算、核外電子排布、雜化軌道、微粒結(jié)構(gòu)、氫鍵等知識(shí)點(diǎn)，側(cè)重對(duì)晶胞計(jì)算的考查，需要學(xué)生具有一定的空間想象與數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，注意熟記中學(xué)常見晶體結(jié)構(gòu)，難度較大．