Question

【題目】氮化鋁(AlN)陶瓷是一種新型無機非金屬材料， 最高可穩定到2473K， 導熱性好、熱膨脹系數小，是良好的耐熱沖擊材料。制取原理為：Al2O3+3C+N22A1N+3CO，回答下列問題：

(1)氮化鋁的晶體類型為________。在上述化學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)基態氧原子電子占據最高能級的原子軌道的形狀是________，未成對電子數為________。

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

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

(5)AlN晶體結構如圖所示，1個Al原子周圍距離最近的Al原子數為______個；若晶胞結構的高為a nm， 底邊長為b nm，NA表示阿伏伽德羅常數的值，則其密度為_______g.cm-3(列出計算式)。

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+的空間構型為正四面體形，將配離子[Cu(NH3)4]2+中的2個NH3換為CN-，則只有1種結構 12

【解析】

(1)原子晶體的熔沸點較高、硬度大，同一周期元素的電離能呈增大趨勢；

(2)根據O原子核外電子排布及各個能級的原子軌道的形狀確定未成對電子數目；

(3)等電子體結構相似，結合共價單鍵都是σ鍵與π鍵，共價雙鍵一個是σ鍵，1個是π鍵；共價三鍵1個σ鍵個2個π鍵分析；

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

(5)利用均攤方法計算一個晶胞中含有的離Al原子最近的Al原子個數，先計算一個晶胞中含有的Al、N原子數目，然后根據晶胞密度計算公式計算。

(1)由于原子晶體的熔沸點較高、硬度大，而氮化鋁(AlN)陶瓷最高可穩定到2473K，說明原子間結合力強，熔沸點高，屬于原子晶體；在上述反應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定狀態，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號元素，核外電子排布為1s22s22p4，可見基態氧原子電子占據最高能級是2p能級，其原子軌道的形狀是啞鈴形(或紡錘形)，由于2p軌道數目是3 個，原子核外電子總是盡可能成單排列，而且自旋方向相同，一個軌道最多可容納2個電子，自旋方向相反，所以未成對電子數為2個；

(3) N2結構簡式是N≡N，等電子體具有相似的結構。CO與N2互為等電子體，所以CO分子中含有1個σ鍵和2個π鍵，因此CO分子中σ鍵與π鍵數目之比為1：2；

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

(5)由晶體結構示意圖可知與Al原子連接的N原子構成的是正四面體結構，與N原子連接的Al原子構成的也是正四面體結構，則晶體中若Al原子處于立方體頂點上，可截圖為，可見頂點Al原子到面心最近Al原子最近，在一個晶胞中有3個這種Al原子，且通過該Al原子可形成8個晶胞，每個Al原子被計算了2次，因此與1個Al原子周圍距離最近的Al原子數為=12個；也可以按照題圖畫實線部分截圖為。在該結構圖中，底面為菱形，處于對位的兩個頂角分別為60°、120°，其中含有Al原子個數為Al：=2，含有N原子數目為N：=2，因此一個該結構中含有2個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，則該結構體積V=b2×10-21 cm3，該結構質量m=g，所以該結構(即晶胞)的密度為=g/cm3。