Question

【题目】自然界存在的元素中，金属元素种类更多，非金属元素丰度更大。

Ⅰ.80%左右的非金属元素在现代技术包括能源、功能材料等领域占有极为重要的地位。

(1)氮及其化合物与人类生产、生活息息相关，基态N原子的价电子排布图是_____________，N2F2分子中N原子的杂化方式是_______，1 mol N2F2含有________个σ键。

(2)高温陶瓷材料Si3N4晶体中键角N-Si-N____(填“>”、“<”或“=”)Si-N-Si，原因_________。

Ⅱ.金属元素在现代工业中也占据极其重要的地位。其中钛也被称为“未来的钢铁”，具有质轻、抗腐蚀、硬度大，是宇航、航海、化工设备等的理想材料，是一种重要的战略资源，越来越受到各国的重视。

(3)基态钛原子核外共有________种运动状态不相同的电子。金属钛晶胞如下图所示，为________(填堆积方式)堆积。

(4)纳米TiO2是一种应用广泛的催化剂，其催化的一个实例如图。化合物乙的沸点明显高于化合物甲，主要原因是__________。化合物乙中采取sp3杂化的原子的电负性由大到小的顺序为__________________。

(5)钙钛矿晶体的结构如图所示。假设把氧离子看作硬球接触模型，钙离子和钛离子填充氧离子的空隙，氧离子形成正八面体，钛离子位于正八面体中心，钙离子位于立方晶胞的体心，一个钙离子被________个氧离子包围。钙钛矿晶体的化学式为________。若氧离子半径为a pm，则钙钛矿晶体中两个钛离子间最短距离为_______pm。

Answer 1

【答案】 sp2 1.806×1024 > Si3N4晶体中Si原子周围有4个N原子，Si原子为sp3杂化，N-Si-N。键角为109°28′，N原子周围连接3个Si原子，含有1对孤对电子，N原子为sp3杂化，但孤对电子对成键电子对的排斥作用更大，使得Si-N-Si键角小于109°28′ 22 六方最密 化合物乙形成分子间氢键 O>N>C 12 CaTiO3 a

【解析】

Ⅰ．(1)根据构造原理书写基态N原子的价电子排布式，然后根据同一电子层各个轨道电子尽可能成单排列，而且自旋方向相同书写电子排布图，N2F2分子中N原子之间形成N=N双键，N原子与F原子之间形成N-F键，N原子含有1对孤对电子；

(2)Si3N4晶体中Si原子周围有4个N原子，Si原子为sp3杂化，N原子周围连接3个Si原子，含有1对孤对电子，N原子为sp3杂化，但孤对电子对成键电子对的排斥作用更大；

II．(3)在任何一种核外电子没有运动状态完全相同的电子；根据金属钛晶胞结构分析其所属金属晶体类型堆积方式；

(4)化合物甲与化合物乙均为分子晶体，但化合物乙分子间可形成氢键；化合物乙中C、N、O三种原子的杂化轨道形成均为sp3，根据同一周期元素电负性变化规律分析判断；

(5)钛晶矿晶胞中钛离子与周围六个氧原子包围形成八面体，立方体晶胞共有12个边长，每条边长的中点是一个氧原子，共12个氧原子包围着中心的钙离子，根据均摊法计算图中立方体中各原子数目确定化学式；若氧离子半径为a pm，则正八面体的棱长为2a pm，则2个正四面体的连接面为正方形，该正方形棱长为2apm，Ti位于正方形的中心，两个钛离子间最短距离等于正方形对角线长度。

Ⅰ．(1)N是7号元素，根据构造原理可知基态N原子的核外电子排布式是1s22s22p3，其基态价电子排布式是2s22p3，在2p亚层上有3个轨道，由于电子尽可能成单排列，而且自旋方向相同，所以N基态价电子排布图为：；N2F2分子结构式为F-N=N-F，分子中N原子含有1对孤对电子，N原子的杂化方式是sp2杂化，lmol N2F2含有3molσ键，即1.806×1024个σ键；

(2)Si3N4晶体中Si原子周围有4个N原子，Si原子为sp3杂化，N-Si-N键角为109°28′；N原子周围连接3个Si原子，含有1对孤对电子，N原子为sp3杂化，但孤对电子对成键电子对的排斥作用更大，使得Si-N-Si键角小于109°28′；

II．(3)Ti原子核外有22个电子，则Ti原子核外共有22种运动状态不同的电子；由金属钛晶胞结构可知，金属钛属于六方最密堆积；

(4)化合物甲只存在分子间作用力，而化合物乙除存在分子间作用力外，还存在氢键，增加了分子之间的吸引力，因此化合物乙的沸点比化合物甲高，在化合物乙中C、N、O三种原子的杂化轨道均为sp3杂化，这三种元素位于同一周期，由于同一周期元素从左到右元素的电负性逐渐增大，所以三种元素的电负性：O>N>C；

(5)钛离子位于立方晶胞的角顶，被6个氧离子包围成配位八面体；钙离子位于立方晶胞的体心，被12个氧离子包围，一个钙离子周围离Ca2+距离最近且相等的O2-有12个，分别位于晶胞的12个棱中心，故一个钙离子被12个氧离子包围；在该晶胞中含有Ca2+数目为1个，含有Ti原子数为8×=1，含有的O2-数目为12×=3，所以该晶体化学式为CaTiO3；

若O2-半径为a pm，则正八面体的棱长为2a pm，则2个正四面体的连接面为正方形，该正方形棱长为2apm，Ti位于正方形的中心，两个钛离子间最短距离正方形对角线长度，故两个钛离子间最短距离为apm。