Question

20．金属钛（Ti）被誉为21世纪金属，具有良好的生物相容性，它兼具铁的高强度和铝的低密度．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1中的M是短周期金属元素，M的部分电离能如下表：

	I1	I2	I3	I4	I5
电离能/kJ•mol-1	738	1451	7733	10540	13630

请回答下列问题：
（1）Ti的基态原子外围电子排布式为4d²5s²；
（2）M是Mg（填元素符号），该金属晶体的堆积模型为六方最密堆积，配位数为12；
（3）纳米TiO₂是一种应用广泛的催化剂，纳米TiO₂催化的一个实例如图2所示．化合物甲的分子中采取sp²方式杂化的碳原子有7个，化合物乙中采取sp³方式杂化的原子对应的元素的电负性由大到小的顺序为O＞N＞C；

（4）有一种氮化钛晶体的晶胞与NaCl晶胞相似，如图3所示，该晶胞中N、Ti之间的最近距离为a pm，则该氮化钛的密度为$\frac{4×62}{{N}_{A}×（2a×1{0}^{-10}）^{3}}$ g•cm^-3（N_A为阿伏加德罗常数的值，只列计算式）．该晶体中与N原子距离相等且最近的N原子有12个；
（5）科学家通过X-射线探明KCl、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下：

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

KCl、CaO、TiN三种离子晶体熔点由高到低的顺序为TiN＞CaO＞KCl．

Answer 1

分析 （1）Ti原子核外电子数为22，根据能量最低原理书写；
（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，配位数为12；
（3）采取sp²杂化的碳原子价层电子对数是3，采取sp³杂化的原子价层电子对数是4，乙中采取sp³杂化的原子有C、N、O，同一周期元素中，元素的电负性随着原子序数的增大；
（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，根据ρ=$\frac{m}{V}$计算晶胞密度；
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，原子核外电子排布为1s²2s²2p⁶3S²3p⁶3d²4s²，外围电子排布式为4d²5s²，
故答案为：4d²5s²；
（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，配位数为12，故答案为：Mg；12；
（3）化合物甲的分子中采取sp²杂化的碳原子为苯环上的六个、羰基中的一个，共7个；
采取sp³杂化的原子价层电子对数是4，乙中采取sp³杂化的原子有C、N、O，同一周期元素中，元素电负性随着原子序数依次增加电负性逐渐增大，所以它们的电负性关系为：O＞N＞C，
故答案为：7； O＞N＞C；
（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，∴晶胞的质量m=4×$\frac{62}{{N}_{A}}$g，而晶胞的体积V=（2a×10^-10）³cm³，所以晶体的密度ρ=4×$\frac{62}{{N}_{A}}$g÷（2a×10^-10）³cm³=$\frac{4×62}{{N}_{A}（2a×1{0}^{-10}）^{3}}$g•cm^-3；
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：$\frac{4×62}{{N}_{A}×（2a×1{0}^{-10}）^{3}}$；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CaO＞KCl，则TiN＞CaO＞KCl，
故答案为：TiN＞CaO＞KCl．

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．