Question

【题目】铁及其化合物是日常生活生产中应用广泛的材料，钛铁合金具有吸氢特性，在制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面有广阔的应用前景。请回答下列问题：

（l）基态铁原子的价电子轨道表达式(电子排布图)为____________________________；在基态Ti2＋中，电子占据的最高能层具有的原子轨道数为____________。

（2）铁元素常见的离子有Fe2+和Fe3+，稳定性Fe2+___Fe3+（填“大于”或“小于”)，原因是___________。

（3）纳米氧化铁能催化火箭推进剂NH4ClO4的分解，NH4+的结构式为（标出配位键）______________。

（4）金属钛采用六方最密堆积的方式形成晶体。则金属钛晶胞的俯视图为___________。

A. B. C. D.

（5）氮化钛熔点高，硬度大，具有典型的NaCl型晶体结构，其晶胞结构如图所示。

①设氮化钛晶体中Ti原子与跟它最邻近的N原子之间的距离为r，则与该Ti原子最邻近的Ti的数目为__________；

Ti原子与跟它次邻近的N原子之间的距离为____________。

②已知在氮化钛晶体中Ti原子的半径为a pm，N原子的半径为b pm，它们在晶体中是紧密接触的，则在氮化钛晶体中原子的空间利用率为____________。（用a、b表示）

③碳氮化钛化合物在汽车制造和航天航空领域有广泛的应用，其结构是用碳原子代替氮化钛晶胞顶点的氮原子，则这种碳氮化钛化合物的化学式为_____________________。

Answer 1

【答案】 9 小于 Fe2+的价电子排布式为3d6，Fe3+的价电子排布式为3d5，Fe3+ 的3d能级为半满状态较稳定 D 12 r Ti4CN3

【解析】

（1）（1）Fe元素的核电荷数为26，基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2；基态Ti2＋核外有20个电子，最高能层为M层；

（2）Fe2+的价电子排布式为3d6，Fe3+的价电子排布式为3d5；

（3）NH4+为正四面体结构，结构中含有极性键和配位键；

（4）金属钛采用六方最密堆积的方式形成晶体，其晶胞结构为；

（5）①有一个Ti原子位于体心，在三维坐标中，体心Ti原子可以形成3个面，每一个形成的面上有4个Ti原子；由晶胞的截图可知，顶点Ti原子与小立方体顶点N原子最邻近，与体对角线的N原子次近邻；

②氮化钛晶胞为面心立方密堆积，晶胞中N原子位于顶点和面心上，Ti位于棱边上和体内，利用均摊法计算；

③利用均摊法计算；

（1）Fe元素的核电荷数为26，基态原子电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2，则价电子轨道表达式(电子排布图)为；基态Ti2＋核外有20个电子，电子排布式为1s22s22p63s23p63d2，最高能层为M层，电子占据的M层具有的原子轨道数为9，故答案为：；9；

（2）Fe2+的价电子排布式为3d6，Fe3+的价电子排布式为3d5，能级为半满状态较稳定，则稳定性Fe2+小于Fe3+，故答案为：小于；Fe2+的价电子排布式为3d6，Fe3+的价电子排布式为3d5，Fe3+ 的3d能级为半满状态，较稳定；

（3）NH4+为正四面体结构，结构中含有极性键和配位键，氮原子和氢离子间的配位键是氮原子提供孤对电子，氢离子提供空轨道，其结构式为：，故答案为：；

（4）金属钛采用六方最密堆积的方式形成晶体，其晶胞结构为，则金属钛晶胞的俯视图为，故答案为：D；

（5）①根据氮化钛晶体可知，有一个Ti原子位于体心，在三维坐标中，体心Ti原子可以形成3个面，每一个形成的面上有4个Ti原子，则该Ti原子最邻近的Ti的数目为3×4=12个；由晶胞的截图可知，顶点Ti原子与小立方体顶点N原子最邻近，与体对角线的N原子次近邻，Ti原子与跟它最邻近的N原子之间的距离为r，则跟它次邻近的N原子之间的距离为=r，故答案为：12；r；

②氮化钛晶胞为面心立方密堆积，晶胞中N原子位于顶点和面心上，Ti位于棱边上和体内，每个晶胞中含有的N原子个数为8×+6×=4，含有的Ti原子个数为 12×+1=4，N原子和Ti原子的体积之和为π（a+b）3×4 pm3，晶胞的边长（2a+2b）pm，体积为（2a+2b）3pm3，则在氮化钛晶体中原子的空间利用率为×100%，故答案为：×100%；

③利用均摊法可知，晶胞中含有碳原子数为8×=1，含有氮原子数为6××=3，含有的Ti原子个数为 12×+1=4，则碳氮化钛化合物的化学式为Ti4CN3，故答案为：Ti4CN3。