Question

2．自然界存在的元素中，金属元素种类更多，非金属元素丰度更大．
I．80%左右的非金属元素在现代技术包括能源、功能材料等领域占有极为重要的地位．
（1）氮及其化合物与人类生产、生活息息相关，基态N原子中电子在2p轨道上的排布遵循的原则是洪特规则，N₂F₂分子中N原子的杂化方式是sp²杂化，1mol N₂F₂含有3个σ键．
（2）高温陶瓷材料Si₃N₄晶体中键角N-Si-N＞Si-N-Si（填“＞”“＜”或“=”），原因是Si₃N₄晶体中Si原子周围有4个N原子，Si原子为sp³杂化，N-Si-N键角为109°28′，N原子周围连接3个Si原子，含有1对孤对电子，N原子为sp³杂化，但孤对电子对成键电子对的排斥作用更大，使得Si-N-Si键角小于109°28′．
II．金属元素在现代工业中也占据极其重要的地位，如以古希腊神话中“泰坦”（Titan）的名字命名的钛（Titanium）元素，意指“地球的儿子”，象征此物力大无穷．钛也被称为“未来的钢铁”，具有质轻，抗腐蚀，硬度大，是宇航、航海、化工设备等的理想材料，是一种重要的战略资源，越来越受到各国的重视．
（1）基态钛原子核外共有22种运动状态不相同的电子．金属钛晶胞如下图1所示，为六方最密堆积（填堆积方式）．
（2）纳米TiO₂是一种应用广泛的催化剂，其催化的一个实例如下图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．化合物乙中采取sp³杂化的原子的电负性由大到小的顺序为O＞N＞C．
（3）钙钛矿晶体的结构如图3所示．假设把氧离子看做硬球接触模型，钙离子和钛离子填充氧离子的空隙，氧离子形成正八面体，钛离子位于正八面体中心，则一个钛离子被6个氧离子包围；钙离子位于立方晶胞的体心，一个钙离子被12个氧离子包围．钙钛矿晶体的化学式为CaTiO₃．若氧离子半径为a pm，则钙钛矿晶体中两个钛离子间最短距离为2$\sqrt{2}$apm，钛离子与钙离子间最短距离为$\sqrt{6}$apm．

Answer 1

分析 I．（1）基态N原子中电子在2p轨道上的排布遵循的原则是洪特规则，N₂F₂分子中N原子之间形成N=N双键，N原子与F原子之间形成N-F键，N原子含有1对孤对电子；
（2）Si₃N₄晶体中Si原子周围有4个N原子，Si原子为sp³杂化，N原子周围连接3个Si原子，含有1对孤对电子，N原子为sp³杂化，但孤对电子对成键电子对的排斥作用更大；
II．（1）核外电子没有运动状态相同的电子；由金属钛晶胞结构可知，属于六方最密堆积；
（2）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；化合物乙中C、N、O三种原子的杂化轨道形成均为sp³，同周期自左而右电负性增大；
（3）钛晶矿晶胞中钛离子与周围六个氧原子包围形成八面体，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，根据均摊法计算图中立方体中各原子数目确定化学式；
若氧离子半径为a pm，则正八面体的棱长为2a pm，则2个正四面体的连接面为正方形，该正方形棱长为2a pm，Ti位于正方形的中心，两个钛离子间最短距离等于正方形对角线长度，图中立方体中心钙离子与顶点上钛离子之间距离最短，为体对角线长度的$\frac{1}{2}$．

解答 解：（1）基态N原子中电子在2p轨道上的排布遵循的原则是洪特规则，
N₂F₂分子结构式为F-N=N-F，分子中N原子含有1对孤对电子，N原子的杂化方式是sp²杂化，l mol N₂F₂含有3molσ键，
故答案为：洪特规则；sp²杂化；3；
（2）Si₃N₄晶体中Si原子周围有4个N原子，Si原子为sp³杂化，N-Si-N键角为109°28′，N原子周围连接3个Si原子，含有1对孤对电子，N原子为sp³杂化，但孤对电子对成键电子对的排斥作用更大，使得Si-N-Si键角小于109°28′，
故答案为：＞；Si₃N₄晶体中Si原子周围有4个N原子，Si原子为sp³杂化，N-Si-N键角为109°28′，N原子周围连接3个Si原子，含有1对孤对电子，N原子为sp³杂化，但孤对电子对成键电子对的排斥作用更大，使得Si-N-Si键角小于109°28′；
Ⅱ（1）Ti原子核外电子数为22，核外共有22种运动状态不相同的电子；由金属钛晶胞结构可知，属于六方最密堆积；
故答案为：22；六方最密；
（2）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三种原子的杂化轨道形成均为sp³，同周期自左而右电负性增大，故电负性：O＞N＞C，
故答案为：化合物乙分子间形成氢键；O＞N＞C；
（3）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；钙离子位于立方晶胞的体心，被12个氧离子包围；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，
若氧离子半径为a pm，则正八面体的棱长为2a pm，则2个正四面体的连接面为正方形，该正方形棱长为2a pm，Ti位于正方形的中心，两个钛离子间最短距离正方形对角线长度，故两个钛离子间最短距离为2$\sqrt{2}$a pm，图中立方体中心钙离子与顶点上钛离子之间距离最短，为体对角线长度的$\frac{1}{2}$，则二者最短距离为$\frac{1}{2}$×$\sqrt{3}$×2$\sqrt{2}$a pm=$\sqrt{6}$a pm，
故答案为：6；12；CaTiO₃；2$\sqrt{2}$a；$\sqrt{6}$a．

点评 本题是对物质结构的考查，涉及核外电子排布、杂化轨道与空间构型、化学键、氢键、电负性、晶胞结构与计算等，Ⅱ（3）中晶胞结构与计算为易错点、难点，需要显示具备一定的空间想象与数学计算能力．