Question

10．地球表面十公里厚的地层中，含钛元素达千分之六，比铜多61倍，金属钛（Ti）被誉为21世纪金属，其单质和化合物具有广泛的应用价值．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的代替品．以TiCl₄为原料，经过一系，列反应可以制得Ti₃N₄和纳米TiO₂（如图1）．

图中的M是短周期金属元素，M的部分电离能如表：

	I1	I2	I3	I4	I5
电离能/（kJ•mol-1）	738	1451	7733	10 540	13 630

请回答下列问题：
（1）TiO₂为离子晶体，己知晶体中阳离子的配位数为6，阴离子的配位数为3，则阳离子的电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶
（2）金属Ti与金属M的晶体原子堆积模式相同，其堆积模型为六方最密堆积 （填写堆积模型名称），晶体中原子在二维平面里的配位数为6
（3）室温下TiCl₄为无色液体，沸点为136.4℃，由此可知其晶体类型为分子晶体，构成该晶体的粒子的空间构型为正四面体
（4）有一种氮化钛晶体的晶胞与NaCl晶胞相似，如2图所示，已知该氮化钛的密度为p g•cm^-3，则该晶胞中N、Ti之间的最近距离为$\frac{1}{2}\root{3}{\frac{4×62}{ρ{N}_{A}}}×1{0}^{10}$  pm，（N_A为阿伏加德常数的数值，只列算式）．该晶体中与Ti原子距离相等且最近的Ti原子有12 个．
（5）科学家通过X射线探明KC1、MgO、CaO、TiN的晶体与NaCl的晶体结构相似．且知三种离子晶体的晶格能数据如表：

离子晶体	NaCl	KC1	CaO
晶格能/（kJ•mol-1）	786	715	3401

KC1、CaO、TiN三种离子晶体硬度由低到该的顺序为KCl＜CaO＜TiN．

Answer 1

分析 （1）Ti为22号元素，其核外电子排布式为：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s²，TiO₂离子晶体中Ti原子失去四个电子，据此书写；
（2）M是短周期金属元素，M的第三电离能剧增，处于ⅡA族，能与TiCl₄反应置换出Ti，则M为Mg，Mg晶体属于六方最密堆积，晶体中原子在二维平面里的配位数为6；
（3）根据物理性质判断晶体类型；TiCl₄构型与甲烷相同；
（4）根据均摊法计算晶胞中Ti、N原子数目，进而计算晶胞质量，设N、Ti之间的最近距离为a pm，根据ρ=$\frac{m}{V}$计算a；以晶胞顶点N原子研究，与之距离相等且最近的N原子处于面心位置；
（5）由表中数据可知，离子半径越小晶格能越大，离子带电荷越大，晶格能越大，晶格能大，对应的离子晶体的熔点就越高．

解答 解：（1）Ti为22号元素，其核外电子排布式为：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s²，TiO₂离子晶体中阳离子为Ti⁴⁺，其电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶；
故答案为：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶；
（2）M是短周期金属元素，M的第三电离能剧增，处于ⅡA族，能与TiCl₄反应置换出Ti，则M为Mg，Mg晶体属于六方最密堆积，晶体中原子在二维平面里的配位数为6；
故答案为：六方最密堆积；6；
（3）TiCl₄熔、沸点较低，可判断知其固态形式为分子晶体，TiCl₄构型与甲烷相同，为正四面体型；
故答案为：分子晶体；正四面体；
（4）根据均摊法，可知该晶胞中N原子个数为：6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=4，该晶胞中Ti原子个数为：1+12×$\frac{1}{4}$=4，则晶胞的质量m=4×$\frac{64}{{N}_{A}}$g，设N、Ti之间的最近距离为a pm，则晶胞的体积V=（2a×10^-10）³cm³，所以晶体的密度ρ=4×$\frac{64}{{N}_{A}}$g÷（2a×10^-10）³cm³，解得a=$\frac{1}{2}\root{3}{\frac{4×62}{ρ{N}_{A}}}×1{0}^{10}$；以晶胞顶点N原子研究，与之距离相等且最近的N原子处于面心位置，每个顶点为8个晶胞共用．每个面为2个晶胞共用，故与之距离相等且最近的N原子为$\frac{3×8}{2}$=12；
故答案为：$\frac{1}{2}\root{3}{\frac{4×62}{ρ{N}_{A}}}×1{0}^{10}$；12；
（5）离子晶体的离子半径越小，带电荷数越多，晶格能越大，则晶体的熔沸点越高，则有TiN＞CaO，由表中数据可知KC1、CaO、TiN三种离子晶体硬度由低到高的顺序为：KCl＜CaO＜TiN；
故答案为：KCl＜CaO＜TiN．

点评 本题考查物质结构和性质，涉及等晶胞结构与计算、核外电子排布、杂化方式、电负性、晶体熔沸点比较等，注意理解电离能与最外层电子数关系，是对学生综合能力的考查，需要学生具备扎实的基础，难度中等．