Question

13．稀土元素是指元素周期表中原子序數為57 到71 的15種鑭系元素，以及與鑭系元素化學性質相似的鈧（Sc）和釔（Y）共17 種元素．請回答下列問題：
（1）鈧（Sc）元素的原子核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s²．鈥（Ho）的基態(tài)原子電子排布式為[Xe]4f¹¹6s²，一個基態(tài)鈥原子所含的未成對電子數為3．
（2）稀土元素最常見的化合價為+3價，但也有少數還有+4價．請根據下表中的電離能數，判斷表中最可能有+4價的元素是Ce．
幾種稀土元素的電離能（單位：kJ•mol^-1）

元素	I1	I2	I3	I1+I2+I3	I4
Sc（鈧）	633	1235	2389	4257	7019
Y（釔）	616	1181	1980	3777	5963
La（鑭）	538	1067	1850	3455	4819
Ce（鈰）	527	1047	1949	3523	3547

（3）離子化合物 Na₃[Sc（OH）₆]中，存在的作用力除離子鍵外還有共價鍵和配位鍵．
（4）Sm（釤）的單質與1，2-二碘乙烷可發(fā)生如下反應：Sm+ICH₂CH₂I→SmI₂+CH₂=CH₂．
ICH₂CH₂I中碳原子雜化軌道類型為sp³，1mol CH₂=CH₂中含有的σ鍵數目為5N_A．
（5）PrO₂（二氧化鐠）的晶體結構與CaF₂相似，晶胞中Pr（鐠）原子位于面心和頂點則PrO₂（二氧化鐠）的晶胞中有9個氧原子．
（6）Ce（鈰）單質為面心立方晶體，其晶胞參數為a=516pm．晶胞中Ce（鈰）原子的配位數為12．列式表示Ce（鈰）單質的密度為$\frac{4×140}{6.02×1{0}^{23}×（516×1{0}^{-10}）^{3}}$g•cm^-3（不必計算出結果）．

Answer 1

分析 （1）Sc元素原子核外電子數為21，根據核外電子排布規(guī)律書寫；4f能級存在未成對電子，含有7個軌道，結合洪特規(guī)則判斷；
（2）第四電離能與第一電離能、第二電離能、第三電離能相差越小，第四個電子越容易失去，+4價的可能性越大，根據表中數據判斷；
（3）離子化合物 Na₃[Sc（OH）₆]中含有OH^-與Sc³⁺形成的配位鍵，氫氧根離子中的氫氧元素之間的共價鍵；
（4）在ICH₂CH₂I分子中碳原子只形成了單鍵，有四個單鍵，故碳原子雜化軌道類型為sp³；1個CH₂=CH₂分子中含有5個σ鍵，故1mol CH₂=CH₂中含有的σ鍵數目為5N_A；
（5）PrO₂（二氧化鐠）的晶體結構與CaF₂相似，晶胞中Pr（鐠）原子位于面心和頂點，根據均攤法計算晶胞中Pr原子數目，再根據化學式中原子數目之比計算晶胞中O原子數目；
（6）Ce（鈰）單質為面心立方晶體，以晶胞頂點的鈰原子為例，與之距離最近的鈰原子位于立方體的面心上，每個頂點為8故晶胞共用，每個面心為2個晶胞共有，結合均攤法計算配位數；
利用均攤法計算晶胞中Ce原子數目，可以計算晶胞質量，根據ρ=$\frac{m}{V}$計算密度．

解答 解：（1）Sc元素原子核外電子數為21，核外電子排布式為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s²，鈥（Ho）的基態(tài)原子電子排布式為[Xe]4f¹¹6s²，4f能級存在未成對電子，含有7個軌道，有4個軌道填充2個電子，另外3個軌道均填充1個電子，故一個基態(tài)鈥原子所含的未成對電子數為3，
故答案為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s²；3；
規(guī)律書寫；4f能級存在未成對電子，含有7個軌道，結合洪特規(guī)則判斷；
（2）第四電離能與第一電離能、第二電離能、第三電離能相差越小，第四個電子越容易失去，+4價的可能性越大，在上述表中Ce的I₁+I₂+I₃和I₄最接近，故應為Ce元素，
故答案為：Ce；
（3）離子化合物 Na₃[Sc（OH）₆]中含有OH^-與Sc³⁺形成的配位鍵，氫氧根離子中的氫氧元素之間的共價鍵，
故答案為：共價鍵和配位鍵；
（4）在ICH₂CH₂I分子中碳原子只形成了單鍵，有四個單鍵，故碳原子雜化軌道類型為sp³；1個CH₂=CH₂分子中含有5個σ鍵，故1mol CH₂=CH₂中含有的σ鍵數目為5N_A，
故答案為：sp³；5N_A；
（5）PrO₂（二氧化鐠）的晶體結構與CaF₂相似，晶胞中Pr（鐠）原子位于面心和頂點，則晶胞中Pr原子數目=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，而Pr原子與O原子數目之比為1：2，則晶胞中O原子數目為4×2=8，
故答案為：8；
（6）Ce（鈰）單質為面心立方晶體，以晶胞頂點的鈰原子為例，與之距離最近的鈰原子位于立方體的面心上，每個頂點為8故晶胞共用，每個面心為2個晶胞共有，晶胞中Ce（鈰）原子的配位數為$\frac{3×8}{2}$=12；
晶胞中鈰原子位于頂點和面心，數目為8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，晶胞質量為4×$\frac{140}{6.02×1{0}^{23}}$g，該晶胞體積為（516×10^-10cm）³，則密度ρ=4×$\frac{140}{6.02×1{0}^{23}}$g÷（516×10^-10cm）³=$\frac{4×140}{6.02×1{0}^{23}×（516×1{0}^{-10}）^{3}}$g•cm^-3，
故答案為：12；$\frac{4×140}{6.02×1{0}^{23}×（516×1{0}^{-10}）^{3}}$．

點評 本題是對物質結構的考查，涉及核外電子排布、電離能、化學鍵、晶胞的結構和晶胞的計算等知識，側重考查對基礎知識的應用，需要學生具備扎實的基礎，難度中等．