Question

17．當前材料科學的發(fā)展方興未艾．B、N、Ti、Fe都是重要的材料元素，其單質及化合物在諸多領域中都有廣泛的應用．
（1）基態(tài)Fe²⁺的電子排布式為1S²2S²2P⁶3S²3P⁶3d⁶或[Ar]3d⁶；Ti原子核外共有22種運動狀態(tài)不同的電子．
（2）BF₃分子與NH₃分子的空間結構分別為平面正三角形、三角錐型；BF₃與NH₃反應生成的BF₃•NH₃分子中含有的化學鍵類型有共價鍵、配位鍵，在BF₃•NH₃中B原子的雜化方式為sp³．
（3）N和P同主族．科學家目前合成了N₄分子，該分子中N-N鍵的鍵角為60°；N₄分解后能產(chǎn)生N₂并釋放出大量能量，推測其用途制造火箭推進劑或炸藥．（寫出一種即可）
（4）向硫酸銅溶液中加入過量氨水，可生成[Cu（NH₃）₄]²⁺配離子．已知NF₃與NH₃具有相同的空間構型，但
NF₃不易與Cu²⁺形成配離子，其原因是F的電負性比N大，N-F成鍵電子對偏向F，導致NF₃中氮原子核對其孤電子對的吸引能力增強，難以形成配位鍵．
（5）納米TiO₂是一種應用廣泛的催化劑，其催化的一個實例如圖1所示．化合物乙的沸點明顯高于化合物甲，主要原因是化合物乙分子間存在氫鍵．化合物乙中采取sp³雜化的原子的第一電離能由大到小的順序為N＞O＞C．

（6）鐵和氨氣在640℃可發(fā)生置換反應，產(chǎn)物之一的晶胞結構如圖2所示，寫出該反應的化學方程式8Fe+2NH₃$\frac{\underline{\;640℃\;}}{\;}$2Fe₄N+3H₂．若該晶體的密度是ρg•cm^-3，則兩個最近的Fe原子間的距離為$\frac{{\sqrt{2}}}{2}\root{3}{{\frac{238}{{ρ{N_A}}}}}$cm．（阿伏加德羅常數(shù)用N_A表示）

Answer 1

分析 （1）鐵原子失去最外層4s能級2個電子，形成Fe²⁺；核外電子排布式為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵，電子不同運動狀態(tài)不同；
（2）NH₃分子中氮原子含有孤電子對，BF₃分子中B元素不含孤電子對，導致其空間構型不同；根據(jù)價層電子對互斥理論確定BF₃的分子空間構型；
（3）N₄分子與P₄結構相似，為正四面體構型，N₄分子中N原子形成3個σ鍵、含有1對孤對電子，雜化軌道數(shù)目為4，每個面為正三角形；N₄分解后能產(chǎn)生N₂并釋放出大量能量，可以制造火箭推進劑或炸藥；
（4）NF₃中N-F成鍵電子對偏向于F原子，N原子上的孤對電子難與銅離子形成配離子；
（5）氫鍵的存在導致物質熔沸點升高；同一周期元素，元素第一電離能隨著原子序數(shù)增大而呈增大趨勢，但第IIA族、第VA族元素第一電離能大于其相鄰元素；
（6）鐵和氨氣在640℃可發(fā)生置換反應生成氫氣和氮化鐵，利用均攤法確定氮化鐵的化學式，根據(jù)溫度、反應物和生成物寫出反應方程式；
由晶胞體積V=$\frac{m}{ρ}$計算體積，繼而計算正四面體的棱長，由正四面體的棱長計算最近的Fe原子間的距離．

解答 解：（1）鐵原子失去最外層4s能級2個電子，形成Fe²⁺，核外電子排布式為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶或[Ar]3d⁶，Ti元素原子核外有22個電子，所以原子中運動狀態(tài)不同的電子共有22種，
故答案為：1S²2S²2P⁶3S²3P⁶3d⁶或[Ar]3d⁶；22；
（2）NH₃分子中氮原子含有孤電子對，BF₃分子中B元素不含孤電子對，NH₃中N原子含有3個σ鍵和1個孤電子對，所以NH₃為三角錐構型；BF₃中B原子含有3個σ鍵且不含孤電子對，所以BF₃為平面三角形構型，BF₃•NH₃分子中含有的化學鍵類型有共價鍵、配位鍵，在BF₃•NH₃中B原子電子對數(shù)為$\frac{5+3}{2}$，故雜化方式為sp³，
故答案為：平面正三角形；三角錐型；共價鍵、配位鍵；sp³；
（3）N₄分子中N原子形成3個σ鍵、含有1對孤對電子，雜化軌道數(shù)目為4，N原子采取sp³雜化，每個面為正三角形，N-N 鍵的鍵角為60°，N₄分解后能產(chǎn)生N₂并釋放出大量能量，可以制造火箭推進劑或炸藥，
故答案為：60°；制造火箭推進劑或炸藥；
（4）F的電負性大于N元素，NF₃中N-F成鍵電子對偏向于F原子，導致NF₃中氮原子核對其孤電子對的吸引能力增強，N原子上的孤對電子難與銅離子形成配離子，所以NF₃不易與Cu²⁺形成配離子，
故答案為：F的電負性比N大，N-F成鍵電子對偏向F，導致NF₃中氮原子核對其孤電子對的吸引能力增強，難以形成配位鍵；
（5）氫鍵的存在導致物質熔沸點升高，乙中含有氫鍵、甲不含氫鍵，所以化合物乙熔沸點高于甲；能形成sp³雜化的原子有C、N、O元素，同一周期元素，元素第一電離能隨著原子序數(shù)增大而呈增大趨勢，但第IIA族、第VA族元素第一電離能大于其相鄰元素，所以第一電離能N＞O＞C，
故答案為：化合物乙分子間存在氫鍵；N＞O＞C；
（6）該晶胞中鐵原子個數(shù)=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，氮原子個數(shù)是1，所以氮化鐵的化學式是Fe₄N，鐵和氨氣在640℃可發(fā)生置換反應生成氫氣和氮化鐵，所以該反應方程式為：8Fe+2NH₃$\frac{\underline{\;640℃\;}}{\;}$2Fe₄N+3H₂，一個晶胞中Fe原子數(shù)目為8×$\frac{1}{8}$+6$+×\frac{1}{2}$=4，N原子數(shù)目為1，晶胞棱長a=$\root{3}{\frac{m}{ρ}}$=$\root{3}{\frac{56×4+14}{ρ{N}_{A}}}$，則兩個最近的Fe原子間的距離為$\frac{\sqrt{2}}{2}a$
=$\frac{{\sqrt{2}}}{2}\root{3}{{\frac{238}{{ρ{N_A}}}}}$．
故答案為：8Fe+2NH₃$\frac{\underline{\;640℃\;}}{\;}$2Fe₄N+3H₂；$\frac{{\sqrt{2}}}{2}\root{3}{{\frac{238}{{ρ{N_A}}}}}$．

點評 本題是對物質結構的考查，涉及分子結構、雜化軌道、電負性、核外電子排布式、晶胞結構等，注意理解配位鍵的有關概念，難度中等．