Question

5．碳、氮、氟、硅、钛等元素的化合物广泛应用于生产生活，回答下列问题：
（1）基态Si原子中，电子占据的最高能层具有的原子轨道数为9，1mol氮气分子中σ键和π键的物质的量之比为1：2；基态钛原子的价电子排布式为3d²4s²．
（2）C、N、F三种元素电负性由大到小的顺序为F＞N＞C．第二周期元素中第一电离能介于B、F之间的有4种．
（3）NF₃分子的空间构型为三角锥形，N原子的杂化轨道类型为sp³．
（4）比较HF和HCl的沸点高低，并简述理由HF比HCl的沸点高，因为HF分子间存在氢键．
（5）金刚砂（SiC）的硬度仅次于金刚石，其晶胞结构如图所示，金刚砂晶体类型为原子晶体，每个C原子周围最近的C原子数目为12，若晶胞的边长为a cm，阿伏加德罗常数为N_A，则金刚砂的密度为$\frac{160}{N{\;}_{A}a{\;}^{3}}$g•cm^-3（不需要化简）．

Answer 1

分析 （1）硅质子数为14，基态Si原子的核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p²，最高能层具有的原子轨道数为1+3+5=9，每个氮气分子中有一个σ键和2个π键，Ti是22号元素，根据核外电子排布规律书写价电子排布式；
（2）同一周期元素，元素电负性随着原子序数增大而增大，元素的第一电离能随着原子序数增大而增大，但第IIA族、第VA族元素第一电离能大于其相邻元素，据此判断；
（3）根据NF₃分子中N原子的价层电子对数判断杂化轨道类型；
（4）含有氢键的物质熔沸点较高，HF中含有氢键、HCl中不含氢键，所以HF的熔沸点较高；
（5）金刚砂硬度大，晶胞中Si、C原子之间形成共价键，为空间网状结构，属于原子晶体，晶胞中存在四面体构型，晶胞中Si、C原子位置可以互换，互换后以顶点C原子为研究对象，与之最近的C原子处于面心，每个顶点为8个晶胞共用，每个面心为2个晶胞共用；
晶胞中Si处于顶点与面心、C原子处于晶胞内部，利用均摊法计算晶胞中Si、C原子数目，进而计算晶胞质量，再根据ρ=$\frac{m}{V}$计算晶胞密度．

解答 解：（1）硅质子数为14，基态Si原子的核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p²，最高能层具有的原子轨道数为1+3+5=9，每个氮气分子中有一个σ键和2个π键，所以1mol氮气分子中σ键和π键的物质的量之比为1：2，Ti是22号元素，核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s²，价电子排布式为为3d²4s²，
故答案为：9；1：2；3d²4s²；
（2）同一周期元素，元素电负性随着原子序数增大而增大，所以C、N、F三种元素电负性由大到小的顺序为F＞N＞C，元素的第一电离能随着原子序数增大而增大，但第IIA族、第VA族元素第一电离能大于其相邻元素，所以第二周期元素中第一电离能介于B、F之间的有Be、C、N、O，共4种，
故答案为：F＞N＞C；4；
（3）根据价层电子对理论知，NF₃分子中N原子价层电子对个数=$\frac{5+3}{2}$=4，所以N原子采用sp³杂化，
故答案为：sp³；
（4）含有氢键的物质熔沸点较高，HF中含有氢键、HCl中不含氢键，所以HF的熔沸点较高，
故答案为：HF比 HCl的沸点高，因为HF分子间存在氢键；
（5）金刚砂硬度大，晶胞中Si、C原子之间形成共价键，为空间网状结构，属于原子晶体，晶胞中存在四面体构型，晶胞中Si、C原子位置可以互换，互换后以顶点C原子为研究对象，与之最近的C原子处于面心，每个顶点为8个晶胞共用，每个面心为2个晶胞共用，故每个C原子周围最近的C原子数目为$\frac{3×8}{2}$=12，晶胞中Si处于顶点与面心，晶胞中Si元素数目为8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，C原子处于晶胞内部，晶胞中C原子数目为4，故晶胞质量为4×$\frac{40}{N{\;}_{A}}$g，晶胞体积为（a cm）³，则晶胞密度为4×$\frac{40}{N{\;}_{A}}$g÷（a cm）³=$\frac{160}{N{\;}_{A}a{\;}^{3}}$g•cm^-3，
故答案为：原子晶体；12；$\frac{160}{N{\;}_{A}a{\;}^{3}}$．

点评 本题主要考查原子结构与位置关系、杂化轨道、第一电离能、晶体类型与性质、晶胞结构与计算等，注意利用均摊法进行计算，难度中等，侧重对学生的基础知识和综合能力的考查．