Question

2020年1月，南开大学研究团队“高效手性螺环催化剂的发现”获得2019年度国家自然科学技术一等奖，含多种金属元素的催化剂正在刷新合成化学的新高度。

回答下列问题：

（1）形成“刚性”螺环的元素是碳，基态碳原子的价电子轨道表达式是___。

（2）如图是一种简单螺环烃，分子中碳原子的杂化方式为___，分子中___（填“含”或“不含”）手性碳原子。

（3）铁及其化合物羰基铁[Fe(CO)₅]常用作催化剂。

①1mol Fe(CO)₅分子中含有的σ键数目为____，写出一种与CO互为等电子体的离子___。

②Fe(CO)₅是一种浅黄色液体，熔点-20℃，沸点103℃，热稳定性较高，易溶于苯等有机溶剂，不溶于水。Fe(CO)₅是___（填“极性”或“非极性”）分子；配体CO提供孤电子对的原子是C而不是O，原因是____。

③如图是某Fe单质的晶胞模型。已知晶体密度为d g·cm^-3，则铁原子的半径为___nm（用含有d、N_A的代数式表示）。

（4）在某些过渡金属的羰基化合物中，中心原子的价电子数与配体提供的电子数之和满足“18e^-结构规则”。羰基铁与羰基镍的化学式分别为Fe(CO)₅和Ni(CO)₄，则羰基铬的化学式是___。

Answer

sp3 不含 10NA CN-或C22-或NO+ 非极性 C的电负性比O小，C比O更易提供孤对电子 ×107 Cr(CO)6

【解析】

（1）基态碳原子的价电子为第L层的4个电子，据此写其轨道表达式；

（2）分子中碳原子都是碳碳单键，据此可确定杂化方式，按分子中碳原子是否连接着4个不同基团来确定是否含有手性碳原子；

（3）①从结构特点求算1mol Fe(CO)5分子中含有的σ键数目、按等电子体的定义可写出CO互为等电子体的离子；

②按Fe(CO)5的性质推断其的分子极性；从C、O原子性质的分析配体CO提供孤电子对的原子是C而不是O的原因；

③结合Fe单质的晶胞模型，确定晶胞的质量、体积，从而按晶体密度为d g·cm-3列式求算晶胞边长，按Fe原子半径r与晶胞边长a关系求出r铁原子的半径；

（4）按提供的信息——在某些过渡金属的羰基化合物中，中心原子的价电子数与配体提供的电子数之和满足“18e-结构规则”。羰基铁与羰基镍的化学式分别为Fe(CO)5和Ni(CO)4，则可求羰基铬的化学式；

（1）基态碳原子的价电子为第L层的4个电子，价电子排布式为2S22P2，据此写其轨道表达式为；

（2）分子中碳原子都是碳碳单键，则碳原子的杂化方式为sp3，分子中不存在连接着4个不同基团的碳原子，故分子内不含手性碳原子；

（3）①1mol Fe(CO)5分子中，有5mol配位键是σ键、每1mol CO内有1mol σ键，故含有的σ键数目为10NA，与CO互为等电子体的离子是双核离子且最外层有14个电子，则满足条件的离子有CN-或C22-或NO+；

②Fe(CO)5的熔沸点比较低，属于分子晶体，按Fe(CO)5的溶解性：易溶于非极性溶剂，故可推断其为非极性分子；Fe(CO)5分子内铁原子与CO分子间形成了配位键，C的电负性比O小，C比O更易提供孤对电子，故CO提供孤电子对的原子是C而不是O；

③Fe单质的晶胞模型为体心立方堆积，晶胞的原子均摊数为 ，晶胞的质量为，晶胞体积为 ，边长 ，Fe原子半径r与晶胞边长a关系为4r=a，所以 ；；

（4）按提供的信息——在某些过渡金属的羰基化合物中，中心原子的价电子数与配体提供的电子数之和满足“18e-结构规则”，则羰基铬也满足规律，因为铬的价电子构型为3d54s1，铬有6个价电子，则配体CO提供12个电子，故配位数为6，羰基铬的化学式为Cr(CO)6。