Question

3．已知A、B、C、D是原子序數(shù)依次增大的四種短周期元素，B的基態(tài)原子中電子占據(jù)三種能量不同的原子軌道，且每種軌道中的電子總數(shù)相同；D原子有2個未成對電子．A、B、D三種元素組成的一種化合物M是新裝修居室中常含有的一種有害氣體．E是第四周期元素，其原子核外最外層電子數(shù)與A原子相同，其余各層電子均充滿．
請回答下列問題（用元素符號或化學(xué)式表示）：

（1）元素B、C、D的基態(tài)原子的第一電離能由大到小的順序?yàn)镹＞O＞C．
（2）M分子中B原子軌道的雜化類型為sp²．
（3）E⁺的核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰，下圖是由D、E形成的某種化合物的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖1，該晶體1個晶胞中陽離子的個數(shù)為4．
（4）化合物CA₃的沸點(diǎn)比化合物BA₄的高，其主要原因是NH₃分子間能形成氫鍵．
（5）寫出與BD₂互為等電子體的C₃^-的結(jié)構(gòu)式[N=N=N]^-．
（6）微生物燃料電池是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置．最早用于有機(jī)廢水處理，如圖2是利用微生物燃料電池處理含M廢水的裝置，其中3是質(zhì)子交換膜．負(fù)極所在的左室中發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式是HCHO-4e^-+H₂O=CO₂+4H⁺．
（7）鐵粉和E單質(zhì)粉末的均勻混合物，平均分成四等份，分別加入同濃度的稀硝酸，充分反應(yīng)，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下生成NO的體積和剩余金屬的質(zhì)量如下表（假設(shè)硝酸的還原產(chǎn)物只有NO）．則稀硝酸的濃度為4mol/L．

編號	①	②	③	④
稀硝酸的體積/mL	100	200	300	400
剩余金屬的質(zhì)量/g	18.0	9.6	0	0
NO的體積/mL	2240	4480	6720	V

Answer 1

分析 A、B、C、D是原子序數(shù)依次增大的四種短周期元素，B的基態(tài)原子中電子占據(jù)三種能量不同的原子軌道，且每種軌道中的電子總數(shù)相同，核外電子排布為1s²2s²2p²，則B是C元素；A、B、D三種元素組成的一種化合物M是新裝修居室中常含有的一種有害氣體，該氣體M為HCHO，D原子有2個未成對電子，則A為H元素、D為O元素；C的原子序數(shù)介于碳、氧之間，故C為N元素；E是第四周期元素，其原子核外最外層電子數(shù)與A原子相同，其余各層電子均充滿，核外電子排布為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，則E是銅元素．
（1）同周期隨原子序數(shù)增大，第一電離能呈增大趨勢，但原子處于全滿、半滿、全空時，能量較低，第一電離能高于同周期相鄰元素；
（2）M為HCHO，根據(jù)分子中C原子σ鍵數(shù)目、孤電子對數(shù)確定雜化軌道數(shù)目，進(jìn)而確定雜化方式；
（3）Cu失去4s能級1個電子形成Cu⁺；由晶胞結(jié)構(gòu)可知，Cu⁺位于晶胞內(nèi)部；
（4）根據(jù)氫鍵分析NH₃、CH₄分析的沸點(diǎn)高低；
（5）CO₂、N₃^-互為等電子體，二者結(jié)構(gòu)相似，N₃^-中N原子之間形成2對共用電子對；
（6）負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，由圖可知，HCHO發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳，由守恒守恒可知還生成H⁺；
（7）由表中數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)①②都有金屬剩余，硝酸完全反應(yīng)，則溶液中不可能含有硝酸鐵，溶液中金屬離子為+2價，在實(shí)驗(yàn)①的基礎(chǔ)上加入100mL硝酸，參加反應(yīng)的金屬的質(zhì)量為18g-9.6g=8.4g，生成NO的體積為4480mL-2240mL=2240mL，NO物質(zhì)的量為0.1mol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知，參加反應(yīng)金屬的物質(zhì)的量為$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，參加反應(yīng)金屬的平均摩爾質(zhì)量為$\frac{8.4g}{0.15mol}$=56g/mol，故該過程只有Fe參加反應(yīng)，故實(shí)驗(yàn)①只有Fe參與反應(yīng)，發(fā)生反應(yīng)為：3Fe+8HNO₃═3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，根據(jù)NO的體積結(jié)合方程式計算硝酸的物質(zhì)的量，根據(jù)c=$\frac{n}{V}$計算硝酸的物質(zhì)的量濃度．

解答 解：A、B、C、D是原子序數(shù)依次增大的四種短周期元素，B的基態(tài)原子中電子占據(jù)三種能量不同的原子軌道，且每種軌道中的電子總數(shù)相同，核外電子排布為1s²2s²2p²，則B是C元素；A、B、D三種元素組成的一種化合物M是新裝修居室中常含有的一種有害氣體，該氣體M為HCHO，D原子有2個未成對電子，則A為H元素、D為O元素；C的原子序數(shù)介于碳、氧之間，故C為N元素；E是第四周期元素，其原子核外最外層電子數(shù)與A原子相同，其余各層電子均充滿，核外電子排布為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，則E是銅元素．
（1）同周期隨原子序數(shù)增大，第一電離能呈增大趨勢，但N原子2p軌道半滿，為穩(wěn)定狀態(tài)，第一電離能共有同周期相鄰元素，故第一電離能：N＞O＞C，故答案為：N＞O＞C；
（2）M為HCHO，分子中C原子成3個σ鍵，沒有孤電子對，雜化軌道數(shù)目為3，則C原子采取sp²雜化，
故答案為：sp²；
（3）Cu失去4s能級1個電子形成Cu⁺，基態(tài)核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰，由晶胞結(jié)構(gòu)可知，Cu⁺位于晶胞內(nèi)部，晶胞中含有4個Cu⁺，故答案為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰；4；
（4）NH₃分子間能形成氫鍵，甲烷分子之間為分子間作用力，氫鍵比分子間作用力強(qiáng)，故NH₃的沸點(diǎn)比CH₄的高，故答案為：NH₃分子間能形成氫鍵；
（5）CO₂、N₃^-互為等電子體，二者結(jié)構(gòu)相似，N₃^-中N原子之間形成2對共用電子對，N₃^-的結(jié)構(gòu)式[N=N=N]^-，故答案為：[N=N=N]^-；
（6）負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，由圖可知，HCHO發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳，由守恒守恒可知還生成H⁺，負(fù)極所在的左室中發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式是：HCHO-4e^-+H₂O=CO₂+4H⁺，故答案為：HCHO-4e^-+H₂O=CO₂+4H⁺；
（7）由表中數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)①②都有金屬剩余，硝酸完全反應(yīng)，則溶液中不可能含有硝酸鐵，溶液中金屬離子為+2價，在實(shí)驗(yàn)①的基礎(chǔ)上加入100mL硝酸，參加反應(yīng)的金屬的質(zhì)量為18g-9.6g=8.4g，生成NO的體積為4480mL-2240mL=2240mL，NO物質(zhì)的量為0.1mol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知，參加反應(yīng)金屬的物質(zhì)的量為$\frac{0.1mol×（5-2）}{2}$=0.15mol，參加反應(yīng)金屬的平均摩爾質(zhì)量為$\frac{8.4g}{0.15mol}$=56g/mol，故該過程只有Fe參加反應(yīng)，故實(shí)驗(yàn)①只有Fe參與反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)①發(fā)生反應(yīng)為：3Fe+8HNO₃═3Fe（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，生成NO的物質(zhì)的量為$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，根據(jù)方程式可知，參加反應(yīng)的硝酸的物質(zhì)的量為0.1mol×4=0.4mol，故硝酸的物質(zhì)的量濃度為$\frac{0.5mol}{0.1L}$=4mol/L，故答案為：4．

點(diǎn)評 本題考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)問題、混合物的有關(guān)計算，（7）中根據(jù)表中數(shù)據(jù)判斷各階段發(fā)生的反應(yīng)是解題關(guān)鍵，側(cè)重對學(xué)生綜合能力的考查，本題過程復(fù)雜、計算量較大，為易錯題目，難度較大．