Question

【題目】2019年諾貝爾化學獎頒發給三位開發鋰離子電池的科學家。鋰離子電池正極材料是決定其性能的關鍵．

（1）錳酸鋰(LiMn2O4)電池具有原料成本低、合成工藝簡單等優點。Li+能量最低的激發態離子的電子排布圖為________，該晶體結構中含有Mn4+，基態Mn4+核外價層電子占據的軌道數為__________________個。

（2）磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池安全、充電快、使用壽命長，其中P原子的雜化方式為__________________，陰離子的空間結構為__________________。

（3）三元正極材料摻雜Al3+可使其性能更優，第四電離能：Mn__________________Al(填“大于”“小于”)，原因是__________________。

（4）鉍化鋰被認為是很有潛力的正極材料，晶胞結構如圖所示。

①晶胞可以看作是由鉍原子構成的面心立方晶格，鋰原子填充在其中的四面體和八面體空隙處。晶體的化學式為__________________，圖中鉍原子坐標參數：A為(0，0，0)， B為(0，1，1)，C為__________________。

②若晶胞參數為anm，則鉍原子的半徑為__________________nm，八面體間隙中的鋰原子與四面體間隙中的鋰原子之間的最短距離為__________________nm。

Answer 1

【答案】 3 sp3 正四面體 小于 Mn、Al失去的第4個電子分別是3d4、2p6上的電子，2p6為全滿穩定結構 Li3Bi（或BiLi3) (，1，)

【解析】

(1)根據構造原理寫出Li+能量最低的激發態離子核外電子排布圖，核外價層電子占據的軌道數；

(2)根據價層電子對互斥理論判斷出價層電子對數，確定陰離子的空間結構；

(3)根據Mn、Al失去的第4個電子后的結構判斷；

(4)①鋰原子的個數位于棱上，個數為，鉍原子位于頂點和面心，個數為，得到化學式為：Li3Bi，根據圖示找到C的坐標參數；

②若晶胞參數為anm，則鉍原子的半徑為4r=a，八面體間隙中的鋰原子與四面體間隙中的鋰原子之間的最短距離為體對角線的。

(1)鋰是3號元素，鋰離子的核外電子排布式為1s2，Li+能量最低的激發態離子，將1s上的一個電子激發到能量僅比1s高的電子軌道2s，其電子排布圖為；Mn4+的核外電子排布式為1s22s22p63s23p63d3，價電子占據的軌道名稱為3d，軌道數為3個；

(2)磷酸根的價層電子對數為4+=4對，P原子的雜化方式為sp3雜化，陰離子沒有孤對電子，空間結構為正四面體；

(3)Mn、Al失去的第4個電子分別是3d4、2p6上的電子，2p6為全滿穩定結構 ，故第四電離能：Mn小于Al；

(4)①鋰原子的個數位于棱上，個數為，鉍原子位于頂點和面心，個數為，得到化學式為：Li3Bi；根據圖示找到C的坐標參數(，1，)；

②若晶胞參數為anm，則鉍原子的半徑為4r=anm，r=nm，八面體間隙中的鋰原子與四面體間隙中的鋰原子之間的最短距離為體對角線的，體對角線的長度為，八面體間隙中的鋰原子與四面體間隙中的鋰原子之間的最短距離為。