Question

7．Cu、Ag、Au同為第一副族的元素，它們的性質(zhì)也有不同之處，如：它們在水溶液中最穩(wěn)定的氧化態(tài)分別為+2，+1和+3，回答下列問題：
（1）寫出Au³⁺的價層電子排布5d⁸．
（2）金屬固溶體的結(jié)構(gòu)一般與純金屬相同，只是一部分原子被另一部分原子統(tǒng)計(jì)的置換了．例如Cu-Au體系，將兩種金屬混合熔化成液體，當(dāng)固溶體倍淬火處理，即快速冷卻時，形成無序固溶體相，金原子完全統(tǒng)計(jì)的取代銅原子，如圖（a）；另外當(dāng)合金緩慢地冷卻時，兩種原子的分布不再無序，在此過程中可以形成兩種結(jié)構(gòu)，如圖（b）、（c），其中，銅原子和金原子的原子半徑分別為128pm、144pm．
說明：（a）中，黑白混搭表示一種無序狀態(tài)，（b）、（c）中黑球表示Au原子，白球表示Cu原子．
①寫出b、c的化學(xué)式：bCu₃Au、cCuAu．
②試分別求b、c結(jié)構(gòu)的密度：b11.4g/cm³、c12.8g/cm³．
③結(jié)合你的理解以及材料，試猜想金、銅能形成金屬固溶體的原因：Cu、Au的純金屬結(jié)構(gòu)相同，都為面心立方結(jié)構(gòu)，二者為同一族元素，電子結(jié)構(gòu)相似，為二者原子半徑相近．
④若a的密度為14.0g/cm³，試猜想當(dāng)將a熔化后再緩慢冷卻時，得到的物質(zhì)中b結(jié)構(gòu)和c結(jié)構(gòu)哪個更多？通過計(jì)算說明理由．（假定統(tǒng)計(jì)原子半徑為140pm）

Answer 1

分析 （1）Cu、Ag、Au同為I副族的元素，Au處于第六周期，Au原子外圍電子排布為5d¹⁰6s¹，Au原子失去6s能級1個電子、5d能級2個電子形成Au³⁺；
（2）①根據(jù)均攤法計(jì)算晶胞中Au、Cu原子數(shù)目，進(jìn)而確定化學(xué)式；
②結(jié)合晶胞中Au、Cu原子數(shù)目計(jì)算晶胞質(zhì)量，（b）為面心立方密堆積，晶胞棱長為（128pm+144pm）×2×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=（128pm+144pm）×2×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=272$\sqrt{2}$ pm，而（c）8個頂點(diǎn)Au原子也形成立方體，上下兩個面中面對角線上的Au原子相鄰，則晶胞棱長為144pm×4×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=288$\sqrt{2}$ pm，再根據(jù)ρ=$\frac{m}{V}$計(jì)算晶胞密度；
③Cu、Au的純金屬結(jié)構(gòu)相同，都為面心立方結(jié)構(gòu)，二者為同一族元素，電子結(jié)構(gòu)相似，為二者原子半徑相近，金、銅能形成金屬固溶體；
④晶胞中原子總數(shù)目為4，晶胞棱長為140pm×4×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=280$\sqrt{2}$ pm，根據(jù)m=ρV計(jì)算晶胞質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算1個原子的質(zhì)量，再計(jì)算N_A個原子的質(zhì)量，即為統(tǒng)計(jì)原子的摩爾質(zhì)量，再計(jì)算（b）（c）摩爾質(zhì)量，對比據(jù)此判斷．

解答 解：（1）Cu、Ag、Au同為I副族的元素，Au處于第六周期，Au原子外圍電子排布為5d¹⁰6s¹，Au原子失去6s能級1個電子、5d能級2個電子形成Au³⁺，故Au³⁺的價電子排布為：5d⁸，
故答案為：5d⁸；
（2）①（b）中Au原子數(shù)目為8×$\frac{1}{8}$=1，Cu原子數(shù)目為6×$\frac{1}{2}$=3，故化學(xué)式為Cu₃Au；
（c）中Au原子數(shù)目為8×$\frac{1}{8}$+2×$\frac{1}{2}$=2，Cu原子數(shù)目為4×$\frac{1}{2}$=2，故化學(xué)式為CuAu，
故答案為：Cu₃Au；CuAu；
②（b）為面心立方密堆積，晶胞質(zhì)量為$\frac{197+64×3}{6.02×1{0}^{23}}$g，晶胞棱長為（128pm+144pm）×2×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=（128pm+144pm）×2×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=272$\sqrt{2}$ pm，則晶胞密度為$\frac{197+64×3}{6.02×1{0}^{23}}$g÷（272$\sqrt{2}$×10^-10cm）³=11.4g/cm³；
（c）晶胞質(zhì)量為$\frac{2×（197+64）}{6.02×1{0}^{23}}$g，8個頂點(diǎn)Au原子也形成立方體，上下兩個面中面對角線上的Au原子相鄰，則晶胞棱長為144pm×4×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=288$\sqrt{2}$ pm，故晶胞密度為為$\frac{2×（197+64）}{6.02×1{0}^{23}}$g÷（288$\sqrt{2}$×10^-10cm）³=12.8g/cm³；
故答案為：11.4g/cm³；12.8g/cm³；
③Cu、Au的純金屬結(jié)構(gòu)相同，都為面心立方結(jié)構(gòu)，二者為同一族元素，電子結(jié)構(gòu)相似，為二者原子半徑相近，金、銅能形成金屬固溶體；
故答案為：Cu、Au的純金屬結(jié)構(gòu)相同，都為面心立方結(jié)構(gòu)，二者為同一族元素，電子結(jié)構(gòu)相似，為二者原子半徑相近；
④（b）中Au與Cu原子為1：3，摩爾質(zhì)量為$\frac{197+64×3}{1+3}$g/mol=97.25g/mol，（c）中Au、Cu原子1：1，摩爾質(zhì)量為$\frac{197+64}{1+1}$g/mol=130.5，晶胞中原子總數(shù)目為4，晶胞棱長為140pm×4×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=280$\sqrt{2}$ pm，則統(tǒng)計(jì)原子的摩爾質(zhì)量為6.02×10²³×mol^-1×{（280$\sqrt{2}$×10^-10cm）³×14.0g/cm³]÷4}=130.8g/mol，而（b）中摩爾質(zhì)量為$\frac{197+64×3}{1+3}$g/mol=97.25g/mol，故與（c）中數(shù)據(jù)接近，故得到（c）的結(jié)構(gòu)偏多，
答：得到（c）的結(jié)構(gòu)偏多．

點(diǎn)評 本題考查晶胞計(jì)算，需要是具備一定的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，題目數(shù)據(jù)復(fù)雜、計(jì)算量大，屬于易錯題目，難度較大．