Question

【題目】鐵被譽為“第一金屬”，鐵及其化合物廣泛應用于生活、生產、國防等領域。

(1)已知：元素的一個基態的氣態原子得到一個電子形成-1價氣態陰離子時所放出的能量稱為該元素的第一電子親和能，用E1表示。從-1價的氣態陰離子再得到1個電子，成為-2價的氣態陰離子所放出的能量稱為第二電子親和能E2，依此類推。FeO是離子晶體，其晶格能可通過如下的Born－Haber循環計算得到。

鐵單質的原子化熱為__________kJ/mol，FeO的晶格能為__________kJ/mol，基態O原子E1____________E2(填“大于”或“小于”)，從原子結構角度解釋_________。

(2)乙二胺四乙酸又叫做EDTA(圖1)，是化學中一種良好的配合劑，形成的配合物叫做螯合物。EDTA在配位滴定中經常用到，一般是測定金屬離子的含量。已知：EDTA配離子結構(圖2)。

EDTA中碳原子軌道的雜化類型為____________，EDTANa-Fe(Ⅲ)是一種螯合物，六個配位原子在空間構型為____________。EDTANa-Fe(Ⅲ)的化學鍵除了σ鍵和配位鍵外，還存在____________。

(3)Fe3O4晶體中，O2-的重復排列方式如圖所示，該排列方式中存在著由如1、3、6、7的O 圍成的正四面體空隙和如3、6、7、8、9、12的O2-圍成的正八面體空隙。Fe3O4中有一半的Fe3+填充在正四面體空隙中，另一半Fe3+和Fe2+填充在正八面體空隙中，則Fe3O4晶體中，O2-數與正四面體空隙數(包括被填充的)之比為__________，有__________%的正八面體空隙填充陽離子。Fe3O4晶胞的八分之一是圖示結構單元(圖3)，晶體密度為5.18 g/cm3，則該晶胞參數a=____________pm。(寫出計算表達式)

Answer 1

【答案】416.3 3902 小于 當負一價氧離子再獲得電子時要克服電荷之間的排斥力，因此要吸收能量 sp2，sp3 八面體 離子鍵和π鍵 1：2 50% ×1010

【解析】

(1)從原子化能、晶格能概念，結合圖示的能量變化判斷；根據圖示O原子的E1、E2比較大小，并從電性作用分析判斷；

(2)根據單鍵是sp3雜化，共價雙鍵是sp2雜化分析；根據EDTANa-Fe(Ⅲ)的結構中原子相對位置、結合其結構分析判斷；

(3)根據晶體結構分析，由密度公式ρ=進行計算。

(1)根據圖示可知Fe晶體變為1 mol氣態Fe原子時需吸收416.3 kJ的熱量，所以鐵單質的原子化熱為416.3 kJ/mol；根據圖示可知1 mol氣態Fe2+與1 mol氣態O2-會放出3902 kJ的熱量，則FeO的晶格能為3902 kJ/mol；1 mol基態氣態O原子獲得1 mol 電子變為1 mol氣態O-離子，放出能量是142 kJ，則O原子的E1=-142 kJ/mol，而基態O原子E2為+844 kJ/mol，E1<E2，這是由于O-帶一個單位的負電荷，當負一價氧離子再獲得電子時要克服電荷之間的排斥力，因此要吸收能量，所以E1<E2；

(2)根據EDTA的結構簡式可知，該物質分子中含有的C原子，結合了四個其它原子，形成四個單鍵，這類C原子雜化類型為sp3雜化；有的C結合三個其它原子，含有雙鍵，這類碳原子軌道的雜化類型為sp2雜化；根據圖示可知：在Fe3+周圍連接4個O原子，2個N原子，在兩個頂點含有2個O原子，在中間平面上有2個N原子、2個O原子，構成的是八面體結構；EDTANa-Fe(Ⅲ)是離子化合物，含有離子鍵，陰離子是復雜離子，含有共價單鍵、共價雙鍵，共價單鍵為σ鍵，共價雙鍵中含有1個σ鍵和1個π鍵，在Fe3+原子上含有空軌道，在與之結合的N、O原子上含有孤對電子，與中間的Fe3+形成配位鍵，所以在該化合物中除了含有σ鍵和配位鍵外，還存在π鍵和離子鍵。

(3)結構中如1、3、6、7的O2-圍成的正四面體空隙有8個，由圖可知晶體結構中O2-離子數目為8×+6×=4個，則O2-離子數目與正四面體空隙數之比為4：8 =1：2；

Fe3O4中有一半的Fe3+填充到正四面體空隙中，另一半Fe3+和Fe2+填充在正八面體空隙中，則有50%的正八面體空隙沒有填充陽離子，含有Fe3+和Fe2+的總數為3，晶胞中有8個圖示結構單元，不妨取1 mol這樣的晶胞，則1 mol晶胞的質量為m=8×(3×56+4×16) g=8×232 g，1 mol晶胞即有6.02×1023個晶胞，1個晶胞的體積為V=(a×10-10)3 cm3，所以晶體密度為ρ= a/cm3=5.18 g/cm3，所以該晶胞參數a=×1010pm。