Question

钛和钛的合金已被广泛用于制造电讯器材、人造骨骼、化工设备、飞机等航天航空材料，被誉为“未来世界的金属”．试回答下列问题：

（1）钛有₂₂⁴⁸Ti和₂₂⁵⁰Ti两种原子，它们互称为

 

．元素在元素周期表中的位置是第

 

周期，第

 

族；基态原子的电子排布式为

 

；按电子排布Ti元素在元素周期表分区中属于

 

区元素．
（2）偏钛酸钡在小型变压器、话筒和扩音器中都有应用．偏钛酸钡晶体中晶胞的结构如图1所示，它的化学式是

 

，
（3）氮化钛（Ti₃N₄）为金黄色晶体，由于具有令人满意的仿金效果，越来越多地成为黄金装饰的替代品．以TiCl₄为原料，经过一系列反应，如图3．可以制得Ti₃N₄和纳米TiO₂．
①Ti₃N₄中Ti元素的化合价为

 

．TiCl₄分子中4个氯原子不在同一平面上，则TiCl₄的空间构型为

 

．
②反应①为置换反应，该反应的化学方程式为

 

．
③纳米TiO₂是一种应用广泛的催化剂，纳米TiO₂催化的一个实例如下：

化合物甲的分子中采取sp²杂化的碳原子个数为

 

，化合物乙中采取sp³杂化的原子的第一电离能由大到小的顺序为

 

．
④有一种氮化钛晶体的晶胞如图2所示，该氮化钛晶胞中含有

 

个N原子，晶胞中N、Ti之间的最近距离为a pm，则该氮化钛的密度为

 

g．cm^-3 （NA为阿伏加德罗常数的数值，只列算式）．

Answer 1

考点：原子核外电子排布,元素周期表的结构及其应用,元素电离能、电负性的含义及应用,晶胞的计算,原子轨道杂化方式及杂化类型判断

专题：原子组成与结构专题,化学键与晶体结构

分析：（1）质子数相同、中子数不同的相同元素不同原子互为同位素；根据其价电子数及能层数确定在元素周期表中的位置，Ti元素核外有22个电子，根据构造原理书写其基态原子核外电子排布式，根据最后排列电子的能级名称确定所属区；
（2）利用均摊法确定其化学式；
（3）①根据化合物中化合价的代数和为0计算Ti元素的化合价，TiCl₄分子中4个氯原子不在同一平面上，说明TiCl₄分子结构和甲烷相同；
②根据反应物、生成物和反应条件书写方程式；
③采取sp²杂化的碳原子价层电子对数是3，根据价层电子对数判断；采取sp³杂化的原子价层电子对数是4，同一周期元素中，元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势，但第VA族元素大于相邻元素；
④利用均摊法计算N原子个数，根据ρ=

m

V

计算密度．

解答： 解：（1）₂₂⁴⁸Ti和₂₂⁵⁰Ti为质子数相同中子数不同的钛元素的不同原子，互称同位素；Ti元素核外有22个电子，根据构造原理知其基态原子核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3S²3p⁶3d²4s²（或[Ar]3d²4s²），该元素的能层数为4、价电子数为4，所以钛元素位于第四周期第IVB族，钛元素最后排列电子是d电子，所以钛元素属于d区，
故答案为：同位素；1s²2s²2p⁶3S²3p⁶3d²4s²（或[Ar]3d²4s²）；四；IVB；d；
（2）该化合物中，O原子个数=12×

1

4

=3，Ti原子个数=8×

1

8

=1，Ba原子个数为1，所以其化学式为：BaTiO₃，故答案为：BaTiO₃；
（3）①该化合物中氮元素化合价为-3价，根据化合价代数和为0知，Ti元素化合价为+4价，TiCl₄分子中4个氯原子不在同一平面上，说明TiCl₄分子结构和甲烷相同，为正四面体结构，故答案为：+4；正四面体；
②根据反应物、生成物和反应条件知，该反应方程式为：2Mg+TiCl₄

高温  .

Ti+2MgCl₂，故答案为：2Mg+TiCl₄

高温  .

Ti+2MgCl₂；
③采取sp²杂化的碳原子价层电子对数是3，该分子中碳原子价层电子对数为3的有：苯环上的碳原子、连接羰基的碳原子，所以一共有7个；采取sp³杂化的原子价层电子对数是4，价层电子对个数是4的原子有：连接甲基和羟基的碳原子、氧原子和氮原子，同一周期元素中，元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势，但第VA族元素大于相邻元素，所以这三种元素第一电离能从大到小顺序是：N＞O＞C，
故答案为：7；N＞O＞C；
④该晶胞中N原子个数=8×

1

8

+6×

1

2

=4，Ti原子个数=1+12×

1

4

=4，该晶胞的ρ=

m

V

=

62 NA ×4

(2a×10-10)3

g．cm^-3=

62×4

(2a×10-10)3．NA

g．cm^-3，
故答案为：4；

62×4

(2a×10-10)3．NA

．

点评：本题考查物质结构和性质，涉及晶胞的计算、原子的杂化方式、第一电离能大小的判断、基态原子核外电子排布式的书写等知识点，这些都是高考热点，会利用价层电子对互斥理论确定原子的杂化方式、第一电离能的规律、构造原理来分析解答，难点的晶胞密度的计算，根据密度公式进行解答，难度中等．