Question

【題目】慶祝新中國成立 70 周年閱兵式上，“東風(fēng)-41 洲際彈道導(dǎo)彈”“殲 20”等護(hù)國重器閃耀亮相，它們都采用了大量合金材料。

回答下列問題：

(1)某些導(dǎo)彈的外殼是以碳纖維為增強(qiáng)體，金屬鈦為基體的復(fù)合材料。基態(tài)鈦原子的外圍電子排布式為_____。鈦可與 C、N、O 等元素形成二元化合物，C、N、O 元素的電負(fù)性由大到小的順序是_________。

(2)鈦比鋼輕，比鋁硬，鈦硬度比鋁大的原因是_____。

(3)鈦鎳合金可用于戰(zhàn)斗機(jī)的油壓系統(tǒng)，該合金溶于熱的硫酸生成 Ti（SO4）2、NiSO4，其中陰離子的立體構(gòu)型為_____，S 的_____雜化軌道與 O 的 2p 軌道形成_____鍵（填 “π”或“σ”）。

(4)金屬鈦采用六方最密堆積的方式形成晶體，其晶胞的俯視圖為_____（填字母序號）。

(5)氮化鈦熔點(diǎn)高，硬度大，其晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。

若氮化鈦晶體中 Ti 原子的半徑為 a pm，N 原子的半徑為 b pm，則氮化鈦晶體中原子的空間利用率的計(jì)算式為_____（用含 a、b 的式子表示）。碳氮化鈦化合物在航天航空領(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)式為_____。

Answer 1

【答案】3d24s2 O＞N＞C Ti 原子的價(jià)電子數(shù)比 Al 多，金屬鍵更強(qiáng) 正四面體形 sp3 σ D ×100% Ti4CN3

【解析】

(1)基態(tài)鈦原子的電子排布式為1s22s22p63s23p63d24s2，由此可確定外圍電子排布式。C、N、O 元素的非金屬性關(guān)系為O>N>C，電負(fù)性的關(guān)系與非金屬性關(guān)系相同。

(2)鈦硬度比鋁大，從金屬鍵的大小找原因。

(3)鈦鎳合金溶于熱的硫酸生成 Ti(SO4)2、NiSO4，其中陰離子為SO42-，S 的價(jià)層電子對數(shù)為4，由此可確定其立體構(gòu)型和S的雜化方式，S的雜化軌道與 O 的 2p 軌道頭對頭重疊。

(4)金屬鈦采用六方最密堆積的方式形成晶體，其晶胞的俯視圖為，由此確定符合題意的圖形。

(5)在氮化鈦晶胞中，含Ti原子的個(gè)數(shù)為12×+1=4，含N原子個(gè)數(shù)為8×+6×=4，由此可求出原子的總體積，再由原子半徑求晶胞的總體積，便可求出氮化鈦晶體中原子的空間利用率的計(jì)算式。碳氮化鈦化合物結(jié)構(gòu)是用碳原子代替氮化鈦晶胞頂點(diǎn)的氮原子，則晶胞中有1個(gè)N原子換成1個(gè)C原子，Ti原子個(gè)數(shù)不變，由此確定這種碳氮化鈦化合物的化學(xué)式。

(1)基態(tài)鈦原子的電子排布式為1s22s22p63s23p63d24s2，由此可確定外圍電子排布式為3d24s2。C、N、O 元素的非金屬性關(guān)系為O>N>C，則電負(fù)性：O＞N＞C。答案為：3d24s2；O＞N＞C；

(2)鈦和鋁都形成金屬晶體，應(yīng)從離子的帶電荷分析鈦硬度比鋁大，其原因是Ti 原子的價(jià)電子數(shù)比Al多，金屬鍵更強(qiáng)。答案為：Ti 原子的價(jià)電子數(shù)比 Al 多，金屬鍵更強(qiáng)；

(3)鈦鎳合金溶于熱的硫酸生成Ti(SO4)2、NiSO4，其中陰離子為SO42-，S 的價(jià)層電子對數(shù)為4，由此可確定其立體構(gòu)型為正四面體形，S的雜化方式為sp3，S的雜化軌道與 O 的 2p 軌道頭對頭重疊，從而形成σ鍵。答案為：正四面體形；sp3；σ；

(4)金屬鈦采用六方最密堆積的方式形成晶體，其晶胞的俯視圖為，由此確定符合題意的圖形為D。答案為：D；

(5)在氮化鈦晶胞中，含Ti原子的個(gè)數(shù)為12×+1=4，含N原子個(gè)數(shù)為8×+6×=4，由此可求出原子的總體積為，再由原子半徑求晶胞的總體積為(2a+2b)3，便可求出氮化鈦晶體中原子的空間利用率的計(jì)算式為。碳氮化鈦化合物結(jié)構(gòu)是用碳原子代替氮化鈦晶胞頂點(diǎn)的氮原子，則晶胞中有1個(gè)N原子換成1個(gè)C原子，Ti原子個(gè)數(shù)不變，由此確定這種碳氮化鈦化合物的化學(xué)式為Ti4CN3。答案為：；Ti4CN3。