Question

16．[化学一物质结构与性质]
据媒体报道，佐治亚大学的科研人员制备了一种以氧化铁为核，以二氧化钛为壳的核一壳纳米结构催化剂，该催化剂可以更高效地把太阳能转变为化学能，为未来清洁、可再生能源的发展提供了新的研究方向．制备金属钛的一种流程如下：
[钙钛矿]$\underset{\stackrel{硫酸}{→}}{过滤}$[硫酸氧钛溶液]$\underset{\stackrel{水/△}{→}}{过滤}$[H₂TiO₃]$\stackrel{焙烧}{→}$[TiO₂]$\underset{\stackrel{C、C{l}_{2}}{→}}{高温}$[TiCl₄]$\underset{\stackrel{Mg/Ar}{→}}{高温}$[Ti]
（1）基态钛原子的价电子排布图为，其原子核外共有22种运动状态不相同的电子．金属钛的晶胞结构如图1所示，其堆积方式为六方最密堆积．
（2）根据价层电子互斥理论，价层电子对之间的斥力大小有如下顺序：l-l＞l-b＞b-b（l为孤对电子对，b为键合电子对），则H₂O中的H-O-H键角D（填字母）．
A．180°　　　　　　B．接近120°，但小于120°
C．接近120°，但大于120°　　　　　D．接近109°28′，但小于109°28′
（3）已知TiCl₄在通常情况下是无色液体，熔点为-25℃，沸点为136℃，则TiCl₄为分子晶体．
（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2．化合物乙的沸点明显高于化合物甲，主要原因是化合物乙分子间形成氢键，而化合物甲分子间不能形成氢键．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N＞O＞C．
（5）钙钛矿晶体的结构如图3所示．钛离子位于立方晶胞的顶角，被12个氧离子包围；钛离子位于立方晶胞的体心，被6个氧离子包围成配位八面体，钙钛矿晶体的化学式为CaTiO₃．若该晶胞的边长为apm，则钙钛矿晶体的密度为$\frac{136}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$g•cm^-3（只要求列算式，不必计算出数值）．

Answer 1

分析 钛铁矿（主要成分为 FeTiO₃，可表示为 FeO•TiO₂）加入硫酸溶解过滤得到滤液硫酸氧钛溶液[TiOSO₄]，加热促进Ti⁴⁺水解生成H₂TiO₃，过滤并煅烧得到TiO₂，TiO₂和C、Cl₂在高温条件下生成TiCl₄和CO，TiCl₄在稀有气体的环境中高温条件下被镁还原生成Ti和MgCl₂，
（1）Ti原子核电荷数为22，价电子排布式为3d²4s²，据此可写出价电子排布图，结合原子核外没有运动状态完全相同的电子，判断Ti原子核外不同运动状态的电子数，金属钛晶胞结构为二层相互错开，第三层正对第一层的方式堆积而成的；
（2）水分子属AX2E2，n+m=4，VSEPR理想模型为正四面体，价层电子对之间的夹角均为109°28′，根据l-l＞l-b＞b-b，应有∠H-O-H＜109°28′；
（3）TiCl₄在通常情况下是无色液体，熔点为-37℃，沸点为136℃，可知TiCl₄为晶体熔、沸点较低，即分子间作用力低；
（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，故分子间作用力比化合物甲强；化合物乙中C、N、O三种原子的杂化轨道形成均为sp³，第一电离能是基态原子失去第一电子的能力，N原子的p轨道上有3个电子，为半充满结构，第一电离能相对较大；
（5）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，钛晶矿晶胞中钛离子与周围六个氧原子包围形成八面体，可以根据晶胞的均摊原则确定晶胞的化学式，根据晶胞的体积及晶胞的质量，依据ρ=$\frac{m}{v}$计算晶体密度．

解答 解：钛铁矿（主要成分为 FeTiO₃，可表示为 FeO•TiO₂）加入硫酸溶解过滤得到滤液硫酸氧钛溶液[TiOSO₄]，加热促进Ti⁴⁺水解生成H₂TiO₃，过滤并煅烧得到TiO₂，TiO₂和C、Cl₂在高温条件下生成TiCl₄和CO，TiCl₄在稀有气体的环境中高温条件下被镁还原生成Ti和MgCl₂，
（1）钛原子的价电子排布式为3d²4s²，则价电子排布图为，钛原子的核电荷数为22，其核外共有22个运动状态不同的电子，晶体钛为六方最密堆积形，
故答案为：；22；六方最密；
（2）根据价层电子对之间的斥力大小顺序：l-l＞l-b＞b-b（l为孤对电子对，b为键合电子对），应有∠H-O-H＜109°28′，选项D正确，
故答案为：D；
（3）TiCl₄是共价型化合物，熔沸点较低，应为分子晶体，
故答案为：分子；
（4）化合物乙因分子间存在氢键，则化合物乙的沸点比化合物甲高，化合物乙中C、N、O三原子均为sp3杂化，三者的第一电离能因N原子的2p轨道半充满相对稳定较大，实际顺序为N＞O＞C，
故答案为：化合物乙分子间形成氢键，而化合物甲分子间不能形成氢键；N＞O＞C；
（5）钙离子位于立方晶胞的体心，被12个氧离子包围；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；每个晶胞中钛离子和钙离子均为1个，晶胞的12个边长上各有一个氧原子，根据均摊原则，每个晶胞实际占有氧原子数目为12×$\frac{1}{4}$=3，则晶胞的化学式为CaTiO₃；该晶胞的边长为apm，晶胞的体积为（a×10^-10）³cm³，1mol晶胞的质量为136g，1mol晶胞的体积为N_A×（a×10^-10）³cm³，晶体的密度ρ=$\frac{m}{v}$=$\frac{136}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$g．cm^-3，
故答案为：12；6；CaTiO₃； $\frac{136}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$．

点评 本题以金属钛的工业制备流程为载体，考查钛原子的结构特点及钛酸钙晶胞结构及相关计算，属基础考查，中等难度．