Question

据《科技日报》报道，我国科学家研制成功一系列石墨烯限域的3d过渡金属中心(Mn、Fe、Co、Ni、Cu)催化剂，在室温条件下以H₂O₂为氧化剂直接将CH₄氧化成C的含氧化合物。请回答下列问题：

（1）在Mn、Fe、Co、Ni、Cu中，某基态原子核外电子排布遵循“洪特规则特例”（指能量相同的原子轨道在全满、半满、全空状态时，体系的能量最低），该原子的外围电子排布式为_____。

（2）在3d过渡金属中，基态原子未成对电子数最多的元素是_____（填元素符号）。

（3）铜的焰色反应呈绿色，在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，称为_____。

（4）石墨烯限域单原子铁能活化CH₄分子中的C-H键，导致C与H之间的作用力_____ (“减弱”或“不变”)。铁晶体中粒子之间作用力类型是_____。

（5）常温下，H₂O₂氧化CH₄生成CH₃OH、HCHO、HCOOH等。

①它们的沸点分别为64.7℃、-19.5℃、100.8℃，其主要原因是_____；

②CH₄和HCHO比较，键角较大的是_____，主要原因是_____。

（6）钴晶胞和白铜(铜镍合金)晶胞分别如图1、2所示。

①钴晶胞堆积方式的名称为_____；

②已知白铜晶胞的密度为dg·cm^-3，N_A代表阿伏加德罗常数的值。图2晶胞中两个面心上铜原子最短核间距为_____ pm(列出计算式)。

Answer

3d104s1 Cr 光谱分析 减弱 金属键 HCOOH、CH3OH存在氢键，且HCOOH中氢键更强，HCHO分子间存在范德华力，氢键比范德华力更强 HCHO CH4中C原子采取sp3杂化，HCHO中C原子采取sp2杂化 六方最密堆积

【解析】

(1)具有全充满、半充满、全空的电子构型的原子更稳定；

(2)在3d过渡金属中，基态原子未成对电子数最多的元素的价电子排布式为3d54s1；

(3)用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素称为光谱分析；

(4)石墨烯限域单原子铁活化CH4分子中的C-H键，说明在催化剂条件下C-H更容易发生断裂，其键能降低；铁晶体属于金属晶体，晶体中存在自由电子和金属阳离子，靠金属键结合形成金属单质；

(5)①HCOOH、CH3OH存在氢键，且HCOOH中氢键更强，HCHO分子间存在范德华力，氢键比范德华力更强；

②CH4为正四面体构型，HCHO为平面三角形，键角主要由碳原子杂化方式决定；

(6)①由图1所示，可知钴晶胞的堆积方式是六方最密堆积；

②面心6个Cu原子构成正八面体，棱上2个Cu原子与体心连线形成等腰直角三角形，该等腰直角三角形的斜边长即为两个面心上铜原子最短核间距，由几何知识可知两个面心上铜原子最短核间距=直角边长度的倍，而等腰直角三角形的直角边长等于晶胞棱长的，均摊法计算晶胞中Cu、Ni原子数目，计算晶胞质量，结合晶胞质量=晶体密度×晶胞体积计算晶胞棱长。

(1)具有全充满、半充满、全空的电子构型的原子更稳定，在Mn、Fe、Co、Ni、Cu的外围电子排布式分别为3d54s2、3d64s2、3d74s2、3d84s2、3d104s1，某基态原子Cu原子核外电子排布遵循“洪特规则特例”；

(2)在3d过渡金属中，基态原子未成对电子数最多的元素的价电子排布式为3d54s1，该元素为Cr；

(3)用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素称为光谱分析；

(4)石墨烯限域单原子铁活化CH4分子中的C-H键，说明在催化剂条件下C-H更容易发生断裂，其键能降低，即导致C与H之间的作用力减弱；铁晶体属于金属晶体，晶体中存在自由电子和金属阳离子，靠金属键结合形成金属单质；

(5)①HCOOH、CH3OH存在氢键，且HCOOH中氢键更强，HCHO分子间存在范德华力，氢键比范德华力更强，故沸点HCOOH＞CH3OH＞HCHO；

②CH4中C原子采取sp3杂化，为正四面体构型，HCHO中C原子采取sp2杂化，为平面三角形，HCHO中键角较大；

(6)①由图1所示，可知钴晶胞的堆积方式是六方最密堆积；

②面心6个Cu原子构成正八面体，棱上2个Cu原子与体心连线形成等腰直角三角形，该等腰直角三角形的斜边长即为两个面心上铜原子最短核间距，由几何知识可知两个面心上铜原子最短核间距=直角边长度的倍，而等腰直角三角形的直角边长等于晶胞棱长的，晶胞中Cu=6×=3、Ni原子数目=8×=1，晶胞质量=g，设晶胞棱长为 a pm，则：dg•cm-3×(a×10-10 cm)3=g，解得a=，故两个面心上铜原子最短核间距=×(pm×)=pm。