Question

19．金屬鈦（Ti）被譽(yù)為21世紀(jì)金屬，具有良好的生物相容性，它兼具鐵的高強(qiáng)度和鋁的低密度．其單質(zhì)和化合物具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值．氮化鈦（Ti₃N₄）為金黃色晶體，由于具有令人滿意的仿金效果，越來越多地成為黃金的代替品．以TiCl₄為原料，經(jīng)過一系列反應(yīng)可以制得Ti₃N₄和納米TiO₂（如圖1）．

圖中的M是短周期金屬元素，M的部分電離能如下表：

	I1	I2	I3	I4	I5
電離能/kJ•mol-1	738	1451	7733	10540	13630

請(qǐng)回答下列問題：
（1）Ti的基態(tài)原子外圍電子排布式為3d²4s²；
（2）M是Mg（填元素符號(hào)），該金屬晶體的堆積模型為六方最密堆積，配位數(shù)為12；
（3）納米TiO₂是一種應(yīng)用廣泛的催化劑，納米TiO₂催化的一個(gè)實(shí)例如圖2所示．化合物甲的分子中采取sp²方式雜化的碳原子有7個(gè)，化合物乙中采取sp³方式雜化的原子對(duì)應(yīng)的元素的電負(fù)性由大到小的順序?yàn)镺＞N＞C；
（4）有一種氮化鈦晶體的晶胞與NaCl晶胞相似，如圖3所示，該晶胞中N、Ti之間的最近距離為a pm，則該氮化鈦的密度為$\frac{4×62}{{N}_{A}×（2a×1{0}^{-10}）^{3}}$g•cm^-3（N_A為阿伏加德羅常數(shù)的值，只列計(jì)算式）．該晶體中與N原子距離相等且最近的N原子有12個(gè)；
（5）科學(xué)家通過X一射線探明KCl、MgO、CaO、TiN的晶體與NaCl的晶體結(jié)構(gòu)相似．則KCl、CaO、TiN三種離子晶體熔點(diǎn)由高到低的順序?yàn)門iN＞CaO＞KCl．判斷依據(jù)是：離子所帶的電荷數(shù)越高，晶格能越大，熔點(diǎn)越高．

Answer 1

分析 （1）Ti原子核外電子數(shù)為22，根據(jù)能量最低原理書寫；
（2）M是短周期金屬元素，M的第三電離能劇增，處于ⅡA族，能與TiCl₄反應(yīng)置換出Ti，則M為Mg，Mg晶體屬于六方最密堆積，配位數(shù)為12；
（3）采取sp²雜化的碳原子價(jià)層電子對(duì)數(shù)是3，采取sp³雜化的原子價(jià)層電子對(duì)數(shù)是4，乙中采取sp³雜化的原子有C、N、O，同一周期元素中，元素的電負(fù)性隨著原子序數(shù)的增大；
（4）根據(jù)均攤法計(jì)算晶胞中Ti、N原子數(shù)目，進(jìn)而計(jì)算晶胞質(zhì)量，根據(jù)ρ=$\frac{m}{V}$計(jì)算晶胞密度；
以晶胞頂點(diǎn)N原子研究，與之距離相等且最近的N原子處于面心位置；
（5）由表中數(shù)據(jù)可知，離子半徑越小晶格能越大，離子帶電荷越大，晶格能越大，晶格能大，對(duì)應(yīng)的離子晶體的熔點(diǎn)就越高．

解答 解：（1）Ti為22號(hào)元素，原子核外電子排布為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s²，外圍電子排布式為3d²4s²，
故答案為：3d²4s²；
（2）M是短周期金屬元素，M的第三電離能劇增，處于ⅡA族，能與TiCl₄反應(yīng)置換出Ti，則M為Mg．Mg晶體屬于六方最密堆積，配位數(shù)為12，
故答案為：Mg；12；
（3）化合物甲的分子中采取sp²雜化的碳原子為苯環(huán)上的六個(gè)、羰基中的一個(gè)，共7個(gè)；
采取sp³雜化的原子價(jià)層電子對(duì)數(shù)是4，乙中采取sp³雜化的原子有C、N、O，同一周期元素中，元素電負(fù)性隨著原子序數(shù)依次增加電負(fù)性逐漸增大，所以它們的電負(fù)性關(guān)系為：O＞N＞C，
故答案為：7； O＞N＞C；
（4）根據(jù)均攤法，可知該晶胞中N原子個(gè)數(shù)為：6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=4，該晶胞中Ti原子個(gè)數(shù)為：1+12×$\frac{1}{4}$=4，則晶胞的質(zhì)量m=4×$\frac{62}{{N}_{A}}$g，而晶胞的體積V=（2a×10^-10）³cm³，所以晶體的密度ρ=4×$\frac{62}{{N}_{A}}$g÷（2a×10^-10）³cm³=$\frac{4×62}{{N}_{A}×（2a×1{0}^{-10}）^{3}}$g•cm^-3；
以晶胞頂點(diǎn)N原子研究，與之距離相等且最近的N原子處于面心位置，每個(gè)頂點(diǎn)為8個(gè)晶胞共用．每個(gè)面為2個(gè)晶胞共用，故與之距離相等且最近的N原子為$\frac{3×8}{2}$=12，
故答案為：$\frac{4×62}{{N}_{A}×（2a×1{0}^{-10}）^{3}}$；12；
（5）離子晶體的離子半徑越小，帶電荷數(shù)越多，晶格能越大，則晶體的熔沸點(diǎn)越高，則有TiN＞CaO，由表中數(shù)據(jù)可知CaO＞KCl，則TiN＞CaO＞KCl，
故答案為：TiN＞CaO＞KCl；離子所帶的電荷數(shù)越高，晶格能越大，熔點(diǎn)越高．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，題目難度中等，涉及等晶胞結(jié)構(gòu)與計(jì)算、核外電子排布、雜化方式、電負(fù)性、晶體熔沸點(diǎn)比較等，注意理解電離能與最外層電子數(shù)關(guān)系，是對(duì)學(xué)生綜合能力的考查，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)，試題培養(yǎng)了學(xué)生的分析能力及邏輯推理能力．