Question

中国的铀工业自20世纪50年代兴起，现已形成完整的和具有相当规模的科研和工业生产体系。铀是原子反应堆的原料，常见铀的化合物有UF₄、UO₂及(NH₄)₄〔UO₂(CO₃)₃〕等。回答下列问题：

(1)UF₄用Mg或Ca还原可得金属铀。

①基态氟原子的价电子排布图为_____________；

②金属铀的一种堆积方式为体心立方堆积，该堆积方式的空间利用率为_______；

③UF₄用Mg或Ca还原时，其氧化产物是MgF₂或CaF₂，已知MgF₂的熔点高于CaF₂，其原因是_________________。

(2)已知：(NH₄)₄〔UO₂(CO₃)₃〕3UO₂+10NH₃↑+9CO₂↑+N₂↑+9H₂O↑

①(NH₄)₄〔UO₂(CO₃)₃〕存在的微粒间作用力是_________；

a. 离子键     b. 共价键     c. 配位键      d. 金属键

②NH₄⁺的空间构型为______，与NH₄⁺等电子体的分子或离子有_____(写一种)；

③CO₃^2－中碳原子杂化轨道类型为_________；

(3)UO₂的晶胞结构如图所示：

①晶胞中U原子位于面心和顶点，氧原子填充在U原子堆积形成的空隙中，在该空隙中氧原子堆积形成的立体的空间构型为___________(填“立方体”、“四面体”、“八面体”)；

②若两个氧原子间的最短距离为a nm，则UO₂晶体的密度为__________g·cm^－3。(列出含a算式即可。用N_A表示阿伏加德罗常数的值。)

Answer

68% MgF2或CaF2均为离子晶体，MgF2的晶格能大于CaF2 abc 正四面体 CH4 sp2 立方体

【解析】

(1)①F元素常用第二周期VIIA族，价电子排布式为2s22p5，结合泡利原理、洪特规则画出价电子排布图； ②根据体心立方堆积晶胞的内部结构计算空间利用率，空间利用率＝；

③CaF2和MgF2都是离子晶体，离子电荷相同，离子半径越小，晶格能越大，晶体的熔点越高；

(2)①(NH4)4〔UO2(CO3)3〕为离子晶体，含有离子键，铵根离子中有共价键和配位键；

②根据VSEPR理论判断NH4＋的空间构型，等电子体是指原子总数相同，价电子总数也相同的微粒；

③根据VSEPR理论和杂化轨道理论判断；

(3)①由UO2的晶胞结构，氧原子与周围的4个U原子形成正四面体结构，氧原子位于正四面体的中心；

②如图晶胞内部上半部4个O原子形成正方形，正方形边长为晶胞棱长的，均摊法计算晶胞中U、O原子数目，用阿伏伽德罗常数表示出晶胞质量，晶体密度＝晶胞质量÷晶胞体积。

(1)①F原子价电子排布式为2s22p5，由泡利原理、洪特规则，价层电子排布图为；

②根据体心立方堆积晶胞的内部结构，1个体心立方晶胞含有硬球数目为8×＋1＝2个，设硬球边长为a，根据硬球接触模型，则硬球半径与晶胞边长的关系为4r＝a，所以r＝a，所以空间利用率＝＝=×100%＝68%；

③MgF2和CaF2均为离子晶体，Mg2＋半径小于Ca2＋半径，MgF2的晶格能大于CaF2，故MgF2的熔点较高；

(2)①(NH4)4〔UO2(CO3)3〕为离子晶体，含有离子键，铵根离子中有共价键和配位键；

②对于NH4＋，根据VSEPR理论，价电子对数为VP＝BP＋LP＝4＋＝4，VSEPR模型为四面体形，形成4根N−H键，则其空间构型为正四面体；

等电子体是指原子总数相同，价电子总数也相同的微粒，所以与NH4＋互为等电子体的分子或离子有：CH4、BH4−（或BeH42−、AlH4−、SiH4及GeH4）；

③对于CO32−，根据VSEPR理论，价电子对数为VP＝BP＋LP＝3+＝3，根据杂化轨道理论，中心C为sp2杂化；

(3)①氧原子与周围的4个U原子形成正四面体结构，氧原子位于正四面体的中心，则氧原子填充在铀原子形成的正四面体空隙中；

②如图晶胞内部上半部4个O原子形成正方形，正方形边长为晶胞棱长的，若两个氧原子的最近距离为a nm，则晶胞棱长为2a nm，晶胞体积＝(2a×10−7cm)3，U原子数目＝8×＋6×＝4，O原子数目＝8，晶胞质量＝g，故晶体密度＝g÷(2a×10−7cm)3＝g•cm−3。