Question

【題目】據《科技日報》報道，我國科學家研制成功一系列石墨烯限域的3d過渡金屬中心(Mn、Fe、Co、Ni、Cu)催化劑，在室溫條件下以H2O2為氧化劑直接將CH4氧化成C的含氧化合物。請回答下列問題：

（1）在Mn、Fe、Co、Ni、Cu中，某基態原子核外電子排布遵循“洪特規則特例”（指能量相同的原子軌道在全滿、半滿、全空狀態時，體系的能量最低），該原子的外圍電子排布式為_____。

（2）在3d過渡金屬中，基態原子未成對電子數最多的元素是_____（填元素符號）。

（3）銅的焰色反應呈綠色，在現代化學中，常利用原子光譜上的特征譜線來鑒定元素，稱為_____。

（4）石墨烯限域單原子鐵能活化CH4分子中的C-H鍵，導致C與H之間的作用力_____ (“減弱”或“不變”)。鐵晶體中粒子之間作用力類型是_____。

（5）常溫下，H2O2氧化CH4生成CH3OH、HCHO、HCOOH等。

①它們的沸點分別為64.7℃、-19.5℃、100.8℃，其主要原因是_____；

②CH4和HCHO比較，鍵角較大的是_____，主要原因是_____。

（6）鈷晶胞和白銅(銅鎳合金)晶胞分別如圖1、2所示。

①鈷晶胞堆積方式的名稱為_____；

②已知白銅晶胞的密度為dg·cm-3，NA代表阿伏加德羅常數的值。圖2晶胞中兩個面心上銅原子最短核間距為_____ pm(列出計算式)。

Answer 1

【答案】3d104s1 Cr 光譜分析 減弱 金屬鍵 HCOOH、CH3OH存在氫鍵，且HCOOH中氫鍵更強，HCHO分子間存在范德華力，氫鍵比范德華力更強 HCHO CH4中C原子采取sp3雜化，HCHO中C原子采取sp2雜化 六方最密堆積

【解析】

(1)具有全充滿、半充滿、全空的電子構型的原子更穩定；

(2)在3d過渡金屬中，基態原子未成對電子數最多的元素的價電子排布式為3d54s1；

(3)用原子光譜上的特征譜線來鑒定元素稱為光譜分析；

(4)石墨烯限域單原子鐵活化CH4分子中的C-H鍵，說明在催化劑條件下C-H更容易發生斷裂，其鍵能降低；鐵晶體屬于金屬晶體，晶體中存在自由電子和金屬陽離子，靠金屬鍵結合形成金屬單質；

(5)①HCOOH、CH3OH存在氫鍵，且HCOOH中氫鍵更強，HCHO分子間存在范德華力，氫鍵比范德華力更強；

②CH4為正四面體構型，HCHO為平面三角形，鍵角主要由碳原子雜化方式決定；

(6)①由圖1所示，可知鈷晶胞的堆積方式是六方最密堆積；

②面心6個Cu原子構成正八面體，棱上2個Cu原子與體心連線形成等腰直角三角形，該等腰直角三角形的斜邊長即為兩個面心上銅原子最短核間距，由幾何知識可知兩個面心上銅原子最短核間距=直角邊長度的倍，而等腰直角三角形的直角邊長等于晶胞棱長的，均攤法計算晶胞中Cu、Ni原子數目，計算晶胞質量，結合晶胞質量=晶體密度×晶胞體積計算晶胞棱長。

(1)具有全充滿、半充滿、全空的電子構型的原子更穩定，在Mn、Fe、Co、Ni、Cu的外圍電子排布式分別為3d54s2、3d64s2、3d74s2、3d84s2、3d104s1，某基態原子Cu原子核外電子排布遵循“洪特規則特例”；

(2)在3d過渡金屬中，基態原子未成對電子數最多的元素的價電子排布式為3d54s1，該元素為Cr；

(3)用原子光譜上的特征譜線來鑒定元素稱為光譜分析；

(4)石墨烯限域單原子鐵活化CH4分子中的C-H鍵，說明在催化劑條件下C-H更容易發生斷裂，其鍵能降低，即導致C與H之間的作用力減弱；鐵晶體屬于金屬晶體，晶體中存在自由電子和金屬陽離子，靠金屬鍵結合形成金屬單質；

(5)①HCOOH、CH3OH存在氫鍵，且HCOOH中氫鍵更強，HCHO分子間存在范德華力，氫鍵比范德華力更強，故沸點HCOOH＞CH3OH＞HCHO；

②CH4中C原子采取sp3雜化，為正四面體構型，HCHO中C原子采取sp2雜化，為平面三角形，HCHO中鍵角較大；

(6)①由圖1所示，可知鈷晶胞的堆積方式是六方最密堆積；

②面心6個Cu原子構成正八面體，棱上2個Cu原子與體心連線形成等腰直角三角形，該等腰直角三角形的斜邊長即為兩個面心上銅原子最短核間距，由幾何知識可知兩個面心上銅原子最短核間距=直角邊長度的倍，而等腰直角三角形的直角邊長等于晶胞棱長的，晶胞中Cu=6×=3、Ni原子數目=8×=1，晶胞質量=g，設晶胞棱長為 a pm，則：dgcm-3×(a×10-10 cm)3=g，解得a=，故兩個面心上銅原子最短核間距=×(pm×)=pm。