Question

20．金屬鈦（Ti）被譽為21世紀金屬，具有良好的生物相容性，它兼具鐵的高強度和鋁的低密度．其單質和化合物具有廣泛的應用價值．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)過一系列反應可以制得Ti₃N₄和納米TiO₂（如圖1）．

圖1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

請回答下列問題：
（1）Ti的基態(tài)原子外圍電子排布式為4d²5s²；
（2）M是Mg（填元素符號），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是一種應用廣泛的催化劑，納米TiO₂催化的一個實例如圖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，化合物乙中采取sp³方式雜化的原子對應的元素的電負性由大到小的順序為O＞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，只列計算式）．該晶體中與N原子距離相等且最近的N原子有12個；
（5）科學家通過X-射線探明KCl、MgO、CaO、TiN的晶體與NaCl的晶體結構相似．且知三種離子晶體的晶格能數(shù)據(jù)如下：

離子晶體	NaCl	KCl	CaO
晶格能/kJ•mol-1	786	715	3401

KCl、CaO、TiN三種離子晶體熔點由高到低的順序為TiN＞CaO＞KCl．

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雜化的碳原子價層電子對數(shù)是3，采取sp³雜化的原子價層電子對數(shù)是4，乙中采取sp³雜化的原子有C、N、O，同一周期元素中，元素的電負性隨著原子序數(shù)的增大；
（4）根據(jù)均攤法計算晶胞中Ti、N原子數(shù)目，進而計算晶胞質量，根據(jù)ρ=$\frac{m}{V}$計算晶胞密度；
以晶胞頂點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，對應的離子晶體的熔點就越高．

解答 解：（1）Ti為22號元素，原子核外電子排布為1s²2s²2p⁶3S²3p⁶3d²4s²，外圍電子排布式為4d²5s²，
故答案為：4d²5s²；
（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、羰基中的一個，共7個；
采取sp³雜化的原子價層電子對數(shù)是4，乙中采取sp³雜化的原子有C、N、O，同一周期元素中，元素電負性隨著原子序數(shù)依次增加電負性逐漸增大，所以它們的電負性關系為：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原子個數(shù)為：6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=4，該晶胞中Ti原子個數(shù)為：1+12×$\frac{1}{4}$=4，∴晶胞的質量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，每個頂點為8個晶胞共用．每個面為2個晶胞共用，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．

點評 本題考查物質結構和性質，涉及等晶胞結構與計算、核外電子排布、雜化方式、電負性、晶體熔沸點比較等，注意理解電離能與最外層電子數(shù)關系，是對學生綜合能力的考查，需要學生具備扎實的基礎，難度中等．