题目内容

7.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原子的价电子排布图是,N2F2分子中N原子的杂化方式是sp2,1mol N2F2含有1.806×1024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.其中钛也被称为“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,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.

分析 I.(1)氮元素是7号元素,最外层有5个电子,根据核外电子排布规律可画出价电子排布图;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.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.

解答 解:I.(1)①氮元素是7号元素,最外层有5个电子,根据核外电子排布规律可画出价电子排布图为;
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,即1.806×1024个σ键,
故答案为:; sp2;1.806×1024;
(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.
故答案为:12;CaTiO3;2$\sqrt{2}$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.

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根据以上信息回答下列问题:
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