题目

在无氧条件下升高温度，立方结构的(CuO)中部分(Cu)^2+会转变成为(Cu)^+。请问：① 在此情况下为保持电中性，哪类晶体缺陷可能形成？② 每个缺陷可能有几个(Cu)^+形成？

在无氧条件下升高温度，立方结构的$\text{CuO}$中部分$\text{Cu}^{2+}$会转变成为$\text{Cu}^{+}$。请问： ① 在此情况下为保持电中性，哪类晶体缺陷可能形成？ ② 每个缺陷可能有几个$\text{Cu}^{+}$形成？

题目解答

答案

在无氧条件下，CuO中部分Cu²⁺转变为Cu⁺，导致正电荷减少。为维持电中性，需引入阴离子空位（V_O）。每个V_O对应O²⁻缺失，负电荷减少2，相当于正电荷增加2，可补偿2个Cu²⁺→Cu⁺的转变。因此，每个V_O对应2个Cu⁺的形成。 答案： ① 可能形成阴离子空位（V_O）。 ② 每个V_O对应2个Cu⁺的形成。

解析

本题主要考察晶体缺陷形成与电中性原理的知识。解题的关键在于分析$\text{CuO}$中$\text{Cu}^{2+}$转变为$\text{Cu}^{+}$时电荷的变化情况，然后根据电中性原则来确定可能形成的晶体缺陷以及每个缺陷对应的$\text{Cu}^{+}$形成数量。

  1. 分析$\text{Cu}^{2+}$转变为$\text{Cu}^{+}$时电荷的变化：
    • 在$\text{CuO}$晶体中，原本$\text{Cu}^{2+}$和$\text{O}^{2 -}$以$1:1$的比例结合，晶体整体呈电中性。当部分$\text{Cu}^{2+}$转变为$\text{Cu}^{+}$时，每个$\text{Cu}^{2+}$转变为$\text{Cu}^{+}$，正电荷减少了$1$个单位（因为$\text{Cu}^{2+}$带$2$个正电荷，$\text{Cu}^{+}$带$1$个正电荷）。
  2. 根据电中性原则确定可能形成的晶体缺陷：
    • 为了保持晶体的电中性，需要引入相应的缺陷来补偿正电荷的减少。由于是在无氧条件下，引入阴离子空位（$\text{V}_\text{O}$）是一种可能的方式。因为每个$\text{O}^{2 -}$带$2$个负电荷，当形成一个$\text{O}^{2 -}$空位（即$\text{V}_\text{O}$）时，相当于晶体中负电荷减少了$2$个单位，这就相当于正电荷增加了$2$个单位。
  3. 计算每个缺陷对应的$\text{Cu}^{+}$形成数量：
    • 由前面分析可知，每个$\text{Cu}^{2+}$转变为$\text{Cu}^{+}$正电荷减少$1$个单位，而一个$\text{V}_\text{O}$使正电荷增加$2$个单位。所以，为了达到电中性补偿，每个$\text{V}_\text{O}$需要对应$2$个$\text{Cu}^{2+}$转变为$\text{Cu}^{+}$，即每个$\text{V}_\text{O}$对应$2$个$\text{Cu}^{+}$的形成。