Question

12．鈦鐵合金具有吸氫特性，在制造以氫為能源的熱泵和蓄電池等方面有廣闊的應(yīng)用前景．
（1）基態(tài)Fe原子有4個(gè)未成對(duì)電子，F(xiàn)e³⁺的電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵，在基態(tài)Ti²⁺中，電子占據(jù)的最高能層具有的原子軌道數(shù)為9．
（2）液氨是富氫物質(zhì)，是氫能的理想載體．下列說(shuō)法正確的是B
A．NH₄⁺與PH₄⁺、CH₄、BH₄^-、ClO₄^-互為等電子體
B．相同條件下，NH₃的沸點(diǎn)比：PH₃的沸點(diǎn)高，且NH₃的穩(wěn)定性強(qiáng)
C．已知NH₃與NF₃都為三角錐型分子，則N原子都為SP³雜化方式且氮元素的化合價(jià)都相同
（3）氮化鈦熔點(diǎn)高，硬度大，具有典型的NaCl型晶體結(jié)構(gòu)，其細(xì)胞結(jié)構(gòu)如圖所示：
①設(shè)氮化鈦晶體中Ti原子與跟它最近鄰的N原子之間的距離為r，則與該Ti原子最近鄰的Ti的數(shù)目為12，Ti原子與跟它次近鄰的N原子之間的距離為$\sqrt{3}$r，數(shù)目為8．
②已知在氮化鈦晶體中Ti原子的半徑為apm，N原子的半徑為b pm，它們?cè)诰�體中是緊密接觸的，則在氮化鈦晶體中原子的空間利用率為$\frac{2π}{3}×\frac{（{a}^{3}+^{3}）}{（a+b）^{3}}$×100%．
③碳氮化鈦化合物在汽車制造和航天航空領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)是用碳原子代替氮化鈦晶胞頂點(diǎn)的氮原子，則這種碳氮化鈦化合物的化學(xué)式Ti₄CN₃．

Answer 1

分析 （1）Fe基態(tài)原子電子排布式1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²；Fe原子失去3個(gè)電子得電子Fe³⁺；寫出Ti²⁺核外電子排布式，判斷其最高能層的原子軌道數(shù)；
（2）A．等電子體為原子數(shù)相等和價(jià)電子數(shù)相等的原子團(tuán)；
B．分子間存在氫鍵的熔沸點(diǎn)高，元素的非金屬性越強(qiáng)，其氫化物越穩(wěn)定；
C．根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論確定雜化方式；
（3）①根據(jù)氮化鈦晶體可知，在三維坐標(biāo)中，每一個(gè)形成的面上有4個(gè)Ti原子，則一個(gè)12個(gè)Ti原子；Ti原子位于頂點(diǎn)與它次近鄰的N原子位于晶胞的體心位置，據(jù)此判斷次近鄰的N原子數(shù)目和距離；
②氮化鈦晶胞為面心立方密堆積，則晶胞的邊長(zhǎng)為（2a+2b）pm，計(jì)算出Ti原子和N原子所占體積和晶胞體積，從而計(jì)算出空間利用率；
③根據(jù)均攤法計(jì)算晶胞中碳、氮、鈦原子數(shù)目，進(jìn)而確定化學(xué)式．

解答 解：（1）Fe基態(tài)原子電子排布式1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²，在3d軌道有4個(gè)未成對(duì)電子；Fe原子失去3個(gè)電子得電子Fe³⁺，則Fe³⁺的電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵；
基態(tài)Ti²⁺的電子排布式為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²，最高能層為M層，M能層含有1個(gè)3s軌道、3個(gè)3p軌道和5個(gè)3d軌道，共有9個(gè)原子軌道；
故答案為：4；1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵；9；
（2）A．等電子體為原子數(shù)相等和價(jià)電子數(shù)相等的原子團(tuán)，NH⁺₄與PH⁺₄、CH₄、BH^-₄均含有5個(gè)原子團(tuán)，且價(jià)電子均為8，為等電子體，而ClO^-₄價(jià)電子數(shù)為32，不屬于等電子體，故A錯(cuò)誤；
B．分子間存在氫鍵的熔沸點(diǎn)高，相同壓強(qiáng)時(shí)，氨氣中含有氫鍵，PH₃中不含氫鍵，所以NH₃沸點(diǎn)比PH₃高，元素的非金屬性越強(qiáng)，其氫化物越穩(wěn)定，非金屬性N比P強(qiáng)，所以氨氣比磷化氫穩(wěn)定，故B正確；
C．NH₃與NF₃分子中N原子含有3個(gè)共用電子對(duì)和一個(gè)孤電子對(duì)，所以其價(jià)層電子對(duì)是4，都采用sp³雜化，NH₃中N元素為-3價(jià)，NF₃中N元素為+3價(jià)，化合價(jià)不同，故C錯(cuò)誤；
故答案為：B；
（3）①根據(jù)氮化鈦晶體可知，在三維坐標(biāo)中，每一個(gè)形成的面上有4個(gè)Ti原子，則一個(gè)12個(gè)Ti原子；Ti原子位于頂點(diǎn)，被8個(gè)晶胞共有，即Ti元素與跟它次近鄰的N原子個(gè)數(shù)為8；Ti原子與跟它次近鄰的N原子之間的距離為晶胞體對(duì)角線的一半，距離為$\sqrt{3}$r，
故答案為：12；8；$\sqrt{3}$r；
②氮化鈦晶胞為面心立方密堆積，晶胞中共含有4個(gè)Ti和4個(gè)N，體積為：$\frac{4}{3}$π（a³+b³）×4，晶胞的邊長(zhǎng)為a+b，晶胞體積為（2a+2b）³，氯化鈉晶體中離子的空間利用率為：$\frac{\frac{4}{3}π（{a}^{3}+^{3}）×4}{（2a+2b）^{3}}$=$\frac{2π}{3}×\frac{（{a}^{3}+^{3}）}{（a+b）^{3}}$×100%；
故答案為：$\frac{2π}{3}×\frac{（{a}^{3}+^{3}）}{（a+b）^{3}}$×100%；
③利用均攤法可知，晶胞中含有碳原子數(shù)為8×$\frac{1}{8}$=1，含有氮原子數(shù)為6×$\frac{1}{2}$=3，含有鈦原子數(shù)為12×$\frac{1}{4}$=4，所以碳、氮、鈦原子數(shù)之比為1：3：4，則化合物的化學(xué)式為Ti₄CN₃，
故答案為：Ti₄CN₃．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，涉及電子排布式、雜化類型的判斷、氫鍵、晶胞的計(jì)算等知識(shí)點(diǎn)，難點(diǎn)是晶胞的計(jì)算，題目難度中等，側(cè)重于考查學(xué)生的分析能力、計(jì)算能力以及對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力．