Question

16．[化學(xué)一物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)]
據(jù)媒體報(bào)道，佐治亞大學(xué)的科研人員制備了一種以氧化鐵為核，以二氧化鈦為殼的核一殼納米結(jié)構(gòu)催化劑，該催化劑可以更高效地把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，為未來清潔、可再生能源的發(fā)展提供了新的研究方向．制備金屬鈦的一種流程如下：
[鈣鈦礦]$\underset{\stackrel{硫酸}{→}}{過濾}$[硫酸氧鈦溶液]$\underset{\stackrel{水/△}{→}}{過濾}$[H₂TiO₃]$\stackrel{焙燒}{→}$[TiO₂]$\underset{\stackrel{C、C{l}_{2}}{→}}{高溫}$[TiCl₄]$\underset{\stackrel{Mg/Ar}{→}}{高溫}$[Ti]
（1）基態(tài)鈦原子的價(jià)電子排布圖為，其原子核外共有22種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不相同的電子．金屬鈦的晶胞結(jié)構(gòu)如圖1所示，其堆積方式為六方最密堆積．
（2）根據(jù)價(jià)層電子互斥理論，價(jià)層電子對(duì)之間的斥力大小有如下順序：l-l＞l-b＞b-b（l為孤對(duì)電子對(duì)，b為鍵合電子對(duì)），則H₂O中的H-O-H鍵角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在通常情況下是無色液體，熔點(diǎn)為-25℃，沸點(diǎn)為136℃，則TiCl₄為分子晶體．
（4）納米TiO₂是一種應(yīng)用廣泛的催化劑，其催化的一個(gè)實(shí)例如圖2．化合物乙的沸點(diǎn)明顯高于化合物甲，主要原因是化合物乙分子間形成氫鍵，而化合物甲分子間不能形成氫鍵．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?yàn)镹＞O＞C．
（5）鈣鈦礦晶體的結(jié)構(gòu)如圖3所示．鈦離子位于立方晶胞的頂角，被12個(gè)氧離子包圍；鈦離子位于立方晶胞的體心，被6個(gè)氧離子包圍成配位八面體，鈣鈦礦晶體的化學(xué)式為CaTiO₃．若該晶胞的邊長(zhǎng)為apm，則鈣鈦礦晶體的密度為$\frac{136}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$g•cm^-3（只要求列算式，不必計(jì)算出數(shù)值）．

Answer 1

分析 鈦鐵礦（主要成分為 FeTiO₃，可表示為 FeO•TiO₂）加入硫酸溶解過濾得到濾液硫酸氧鈦溶液[TiOSO₄]，加熱促進(jìn)Ti⁴⁺水解生成H₂TiO₃，過濾并煅燒得到TiO₂，TiO₂和C、Cl₂在高溫條件下生成TiCl₄和CO，TiCl₄在稀有氣體的環(huán)境中高溫條件下被鎂還原生成Ti和MgCl₂，
（1）Ti原子核電荷數(shù)為22，價(jià)電子排布式為3d²4s²，據(jù)此可寫出價(jià)電子排布圖，結(jié)合原子核外沒有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子，判斷Ti原子核外不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子數(shù)，金屬鈦晶胞結(jié)構(gòu)為二層相互錯(cuò)開，第三層正對(duì)第一層的方式堆積而成的；
（2）水分子屬AX2E2，n+m=4，VSEPR理想模型為正四面體，價(jià)層電子對(duì)之間的夾角均為109°28′，根據(jù)l-l＞l-b＞b-b，應(yīng)有∠H-O-H＜109°28′；
（3）TiCl₄在通常情況下是無色液體，熔點(diǎn)為-37℃，沸點(diǎn)為136℃，可知TiCl₄為晶體熔、沸點(diǎn)較低，即分子間作用力低；
（4）化合物甲與化合物乙均為分子晶體，但化合物乙分子間可形成氫鍵，故分子間作用力比化合物甲強(qiáng)；化合物乙中C、N、O三種原子的雜化軌道形成均為sp³，第一電離能是基態(tài)原子失去第一電子的能力，N原子的p軌道上有3個(gè)電子，為半充滿結(jié)構(gòu)，第一電離能相對(duì)較大；
（5）立方體晶胞共有12個(gè)邊長(zhǎng)，每條邊長(zhǎng)的中點(diǎn)是一個(gè)氧原子，共12個(gè)氧原子，包圍著中心的鈣離子，鈦晶礦晶胞中鈦離子與周圍六個(gè)氧原子包圍形成八面體，可以根據(jù)晶胞的均攤原則確定晶胞的化學(xué)式，根據(jù)晶胞的體積及晶胞的質(zhì)量，依據(jù)ρ=$\frac{m}{v}$計(jì)算晶體密度．

解答 解：鈦鐵礦（主要成分為 FeTiO₃，可表示為 FeO•TiO₂）加入硫酸溶解過濾得到濾液硫酸氧鈦溶液[TiOSO₄]，加熱促進(jìn)Ti⁴⁺水解生成H₂TiO₃，過濾并煅燒得到TiO₂，TiO₂和C、Cl₂在高溫條件下生成TiCl₄和CO，TiCl₄在稀有氣體的環(huán)境中高溫條件下被鎂還原生成Ti和MgCl₂，
（1）鈦原子的價(jià)電子排布式為3d²4s²，則價(jià)電子排布圖為，鈦原子的核電荷數(shù)為22，其核外共有22個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同的電子，晶體鈦為六方最密堆積形，
故答案為：；22；六方最密；
（2）根據(jù)價(jià)層電子對(duì)之間的斥力大小順序：l-l＞l-b＞b-b（l為孤對(duì)電子對(duì)，b為鍵合電子對(duì)），應(yīng)有∠H-O-H＜109°28′，選項(xiàng)D正確，
故答案為：D；
（3）TiCl₄是共價(jià)型化合物，熔沸點(diǎn)較低，應(yīng)為分子晶體，
故答案為：分子；
（4）化合物乙因分子間存在氫鍵，則化合物乙的沸點(diǎn)比化合物甲高，化合物乙中C、N、O三原子均為sp3雜化，三者的第一電離能因N原子的2p軌道半充滿相對(duì)穩(wěn)定較大，實(shí)際順序?yàn)镹＞O＞C，
故答案為：化合物乙分子間形成氫鍵，而化合物甲分子間不能形成氫鍵；N＞O＞C；
（5）鈣離子位于立方晶胞的體心，被12個(gè)氧離子包圍；鈦離子位于立方晶胞的角頂，被6個(gè)氧離子包圍成配位八面體；每個(gè)晶胞中鈦離子和鈣離子均為1個(gè)，晶胞的12個(gè)邊長(zhǎng)上各有一個(gè)氧原子，根據(jù)均攤原則，每個(gè)晶胞實(shí)際占有氧原子數(shù)目為12×$\frac{1}{4}$=3，則晶胞的化學(xué)式為CaTiO₃；該晶胞的邊長(zhǎng)為apm，晶胞的體積為（a×10^-10）³cm³，1mol晶胞的質(zhì)量為136g，1mol晶胞的體積為N_A×（a×10^-10）³cm³，晶體的密度ρ=$\frac{m}{v}$=$\frac{136}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$g．cm^-3，
故答案為：12；6；CaTiO₃； $\frac{136}{（a×1{0}^{-10}）^{3}{N}_{A}}$．

點(diǎn)評(píng) 本題以金屬鈦的工業(yè)制備流程為載體，考查鈦原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及鈦酸鈣晶胞結(jié)構(gòu)及相關(guān)計(jì)算，屬基礎(chǔ)考查，中等難度．