Question

7．自然界存在的元素中，金屬元素種類更多，非金屬元素豐度更大．
I．80%左右的非金屬元素在現(xiàn)代技術(shù)包括能源、功能材料等領(lǐng)域占有極為重要的地位．
（1）氮及其化合物與人類生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，基態(tài)N原子的價電子排布圖是，N₂F₂分子中N原子的雜化方式是sp²，1mol N₂F₂含有1.806×10²⁴個σ鍵．
（2）高溫陶瓷材料Si₃N₄晶體中鍵角N-Si-N＞Si-N-Si（填“＞”“＜”或“=”），原因是Si₃N₄晶體中Si原子周圍有4個N原子，Si原子為sp³雜化，N-Si-N鍵角為109°28′，N原子周圍連接3個Si原子，含有1對孤對電子，N原子為sp³雜化，但孤對電子對成鍵電子對的排斥作用更大，使得Si-N-Si鍵角小于109°28′．
II．金屬元素在現(xiàn)代工業(yè)中也占據(jù)極其重要的地位．其中鈦也被稱為“未來的鋼鐵”，具有質(zhì)輕，抗腐蝕，硬度大，是宇航、航海、化工設(shè)備等的理想材料，是一種重要的戰(zhàn)略資源，越來越受到各國的重視．
（1）基態(tài)鈦原子核外共有22種運動狀態(tài)不相同的電子．金屬鈦晶胞如下圖1所示，為六方最密堆積（填堆積方式）．
（2）納米TiO₂是一種應(yīng)用廣泛的催化劑，其催化的一個實例如圖2．化合物乙的沸點明顯高于化合物甲，主要原因是化合物乙分子間形成氫鍵．化合物乙中采取sp³雜化的原子的電負性由大到小的順序為O＞N＞C．

（3）鈣鈦礦晶體的結(jié)構(gòu)如圖3所示．假設(shè)把氧離子看做硬球接觸模型，鈣離子和鈦離子填充氧離子的空隙，氧離子形成正八面體，鈦離子位于正八面體中心，鈣離子位于立方晶胞的體心，一個鈣離子被12個氧離子包圍．鈣鈦礦晶體的化學式為CaTiO₃．若氧離子半徑為a pm，則鈣鈦礦晶體中兩個鈦離子間最短距離為2$\sqrt{2}$apm．

Answer 1

分析 I．（1）氮元素是7號元素，最外層有5個電子，根據(jù)核外電子排布規(guī)律可畫出價電子排布圖；N₂F₂分子中N原子之間形成N=N雙鍵，N原子與F原子之間形成N-F鍵，N原子含有1對孤對電子；
（2）Si₃N₄晶體中Si原子周圍有4個N原子，Si原子為sp³雜化，N原子周圍連接3個Si原子，含有1對孤對電子，N原子為sp³雜化，但孤對電子對成鍵電子對的排斥作用更大；
II．II．（1）核外電子沒有運動狀態(tài)相同的電子；由金屬鈦晶胞結(jié)構(gòu)可知，屬于六方最密堆積；
（2）化合物甲與化合物乙均為分子晶體，但化合物乙分子間可形成氫鍵；化合物乙中C、N、O三種原子的雜化軌道形成均為sp³，同周期自左而右電負性增大；
（3）鈦晶礦晶胞中鈦離子與周圍六個氧原子包圍形成八面體，立方體晶胞共有12個邊長，每條邊長的中點是一個氧原子，共12個氧原子包圍著中心的鈣離子，根據(jù)均攤法計算圖中立方體中各原子數(shù)目確定化學式；
若氧離子半徑為a pm，則正八面體的棱長為2a pm，則2個正四面體的連接面為正方形，該正方形棱長為2a pm，Ti位于正方形的中心，兩個鈦離子間最短距離等于正方形對角線長度．

解答 解：I．（1）①氮元素是7號元素，最外層有5個電子，根據(jù)核外電子排布規(guī)律可畫出價電子排布圖為；
N₂F₂分子結(jié)構(gòu)式為F-N=N-F，分子中N原子含有1對孤對電子，N原子的雜化方式是sp²雜化，l mol N₂F₂含有3molσ鍵，即1.806×10²⁴個σ鍵，
故答案為：； sp²；1.806×10²⁴；
（2）Si₃N₄晶體中Si原子周圍有4個N原子，Si原子為sp³雜化，N-Si-N鍵角為109°28′，N原子周圍連接3個Si原子，含有1對孤對電子，N原子為sp³雜化，但孤對電子對成鍵電子對的排斥作用更大，使得Si-N-Si鍵角小于109°28′，
故答案為：＞；Si₃N₄晶體中Si原子周圍有4個N原子，Si原子為sp³雜化，N-Si-N鍵角為109°28′，N原子周圍連接3個Si原子，含有1對孤對電子，N原子為sp³雜化，但孤對電子對成鍵電子對的排斥作用更大，使得Si-N-Si鍵角小于109°28′；
II．（1）Ti原子核外電子數(shù)為22，核外共有22種運動狀態(tài)不相同的電子；由金屬鈦晶胞結(jié)構(gòu)可知，屬于六方最密堆積；
故答案為：22；六方最密；
（2）化合物乙因分子間存在氫鍵，則化合物乙的沸點比化合物甲高，化合物乙中C、N、O三種原子的雜化軌道形成均為sp³，同周期自左而右電負性增大，故電負性：O＞N＞C，
故答案為：化合物乙分子間形成氫鍵；O＞N＞C；
（3）鈦離子位于立方晶胞的角頂，被6個氧離子包圍成配位八面體；鈣離子位于立方晶胞的體心，被12個氧離子包圍；每個晶胞中鈦離子和鈣離子均為1個，晶胞的12個邊長上各有一個氧原子，根據(jù)均攤原則，每個晶胞實際占有氧原子數(shù)目為12×$\frac{1}{4}$=3，則晶胞的化學式為CaTiO₃，
若氧離子半徑為a pm，則正八面體的棱長為2a pm，則2個正四面體的連接面為正方形，該正方形棱長為2a pm，Ti位于正方形的中心，兩個鈦離子間最短距離正方形對角線長度，故兩個鈦離子間最短距離為2$\sqrt{2}$a pm．
故答案為：12；CaTiO₃；2$\sqrt{2}$a．

點評 本題是對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的考查，涉及核外電子排布、雜化軌道與空間構(gòu)型、化學鍵、氫鍵、電負性、晶胞結(jié)構(gòu)與計算等，Ⅱ（3）中晶胞結(jié)構(gòu)與計算為易錯點、難點，需要顯示具備一定的空間想象與數(shù)學計算能力．