Question

4．四氧化三鈷（Co₃O₄）納米顆�？梢杂糜谌嗽旃夂献饔茫�以水和二氧化碳為原料制得甲醇燃料，回答下列問題：
（1）二氧化碳的水溶液中含有少量的CO₃^2-，CO₃^2-的空間構型為平面正三角形．
（2）CO₂、SiO₂為同族元素的氧化物，SiO₂熔點高的原因是CO₂屬于分子晶體，而SiO₂屬于原子晶體．
（3）甲醇分子中，中心原子的雜化軌道類型為sp³雜化．甲醇易溶于水，其主要原因是甲醇分子與水分子之間形成氫鍵．
（4）Co₃O₄晶體結構中，O^2-為立方緊密堆積；Co²⁺為四配位，填充于四面體空隙；Co³⁺填充于八面體空隙．Co²⁺的價層電子式為3d⁷；Co₃O₄晶體中Co³⁺的配位數為6．
（5）氧化亞鈷與稀鹽酸反應可生成紫紅色六水合物（CoCl₂•6H₂O），該反應的化學方程式為CoO+2HCl+5H₂O=CoCl₂•6H₂O．
（6）四氧化三鈷加熱至900℃會分解成氧化亞鈷，氧化亞鈷的晶體結構與氯化鈉類似，若氧化亞鈷晶體的晶胞邊長為apm，則兩個緊鄰的Co²⁺之間的距離為$\frac{\sqrt{2}}{2}$apm．

Answer 1

分析 （1）計算C原子孤電子對數、價層電子對數，進而確定CO₃^2-的空間構型；
（2）CO₂屬于分子晶體，而SiO₂屬于原子晶體；
（3）甲醇分子中C原子形成4個共價鍵，沒有孤電子對，雜化軌道數目為4；甲醇分子與水分子之間形成氫鍵，甲醇易溶于水；
（4）Co為27號元素，原子核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²，失去4s能級2個電子形成Co²⁺；Co³⁺填充于八面體空隙，則其周圍O^2-數目為6；
（5）氧化亞鈷與稀鹽酸反應可生成紫紅色六水合物（CoCl₂•6H₂O）；
（6）氧化亞鈷的晶體結構與氯化鈉類似，晶胞中O^2-處于體心與棱中心，Co²⁺處于頂點與面心，若氧化亞鈷晶體的晶胞邊長為apm，O^2-、Co²⁺之間距離為0.5a pm，頂點與面心的Co²⁺緊鄰，其距離為O^2-、Co²⁺之間距離的$\sqrt{2}$倍．

解答 解：（1）CO₃^2-中C原子孤電子對數=$\frac{4×2-2×3}{2}$=0、價層電子對數=3+0=3，CO₃^2-的空間構型為平面正三角形，
故答案為：平面正三角形；
（2）CO₂屬于分子晶體，而SiO₂屬于原子晶體，故SiO₂熔點高，
故答案為：CO₂屬于分子晶體，而SiO₂屬于原子晶體；
（3）甲醇分子中C原子形成4個共價鍵，沒有孤電子對，雜化軌道數目為4，C原子采取sp³雜化；甲醇分子與水分子之間形成氫鍵，甲醇易溶于水，
故答案為：sp³雜化；甲醇分子與水分子之間形成氫鍵；
（4）Co為27號元素，原子核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²，失去4s能級2個電子形成Co²⁺，Co²⁺的價層電子式為3d⁷；Co³⁺填充于八面體空隙，則其周圍O^2-數目為6，Co₃O₄晶體中Co³⁺的配位數為6，
故答案為：3d⁷；6；
（5）氧化亞鈷與稀鹽酸反應可生成紫紅色六水合物（CoCl₂•6H₂O），該反應方程式為：CoO+2HCl+5H₂O=CoCl₂•6H₂O，
故答案為：CoO+2HCl+5H₂O=CoCl₂•6H₂O；
（6）氧化亞鈷的晶體結構與氯化鈉類似，晶胞中O^2-處于體心與棱中心，Co²⁺處于頂點與面心，若氧化亞鈷晶體的晶胞邊長為apm，O^2-、Co²⁺之間距離為0.5a pm，頂點與面心的Co²⁺緊鄰，其距離為O^2-、Co²⁺之間距離的$\sqrt{2}$倍，即兩個緊鄰的Co²⁺之間的距離為$\sqrt{2}$×0.5a pm=$\frac{\sqrt{2}}{2}$a pm，
故答案為：$\frac{\sqrt{2}}{2}$a．

點評 本題是對物質結構與性質的考查，涉及空間構型與雜化方式判斷、核外電子排布、氫鍵、晶胞結構及計算等，屬于拼合型題目，（6）中計算為易錯點，需要學生熟練識記中學常見晶胞結構，具備一定的空間想象與數學計算能力．