Question

【題目】鐵及其化合物是日常生活生產中應用廣泛的材料，鈦鐵合金具有吸氫特性，在制造以氫為能源的熱泵和蓄電池等方面有廣闊的應用前景。請回答下列問題：

（l）基態鐵原子的價電子軌道表達式(電子排布圖)為____________________________；在基態Ti2＋中，電子占據的最高能層具有的原子軌道數為____________。

（2）鐵元素常見的離子有Fe2+和Fe3+，穩定性Fe2+___Fe3+（填“大于”或“小于”)，原因是___________。

（3）納米氧化鐵能催化火箭推進劑NH4ClO4的分解，NH4+的結構式為（標出配位鍵）______________。

（4）金屬鈦采用六方最密堆積的方式形成晶體。則金屬鈦晶胞的俯視圖為___________。

A. B. C. D.

（5）氮化鈦熔點高，硬度大，具有典型的NaCl型晶體結構，其晶胞結構如圖所示。

①設氮化鈦晶體中Ti原子與跟它最鄰近的N原子之間的距離為r，則與該Ti原子最鄰近的Ti的數目為__________；

Ti原子與跟它次鄰近的N原子之間的距離為____________。

②已知在氮化鈦晶體中Ti原子的半徑為a pm，N原子的半徑為b pm，它們在晶體中是緊密接觸的，則在氮化鈦晶體中原子的空間利用率為____________。（用a、b表示）

③碳氮化鈦化合物在汽車制造和航天航空領域有廣泛的應用，其結構是用碳原子代替氮化鈦晶胞頂點的氮原子，則這種碳氮化鈦化合物的化學式為_____________________。

Answer 1

【答案】 9 小于 Fe2+的價電子排布式為3d6，Fe3+的價電子排布式為3d5，Fe3+ 的3d能級為半滿狀態較穩定 D 12 r Ti4CN3

【解析】

（1）（1）Fe元素的核電荷數為26，基態原子電子排布式為1s22s22p63s23p63d64s2；基態Ti2＋核外有20個電子，最高能層為M層；

（2）Fe2+的價電子排布式為3d6，Fe3+的價電子排布式為3d5；

（3）NH4+為正四面體結構，結構中含有極性鍵和配位鍵；

（4）金屬鈦采用六方最密堆積的方式形成晶體，其晶胞結構為；

（5）①有一個Ti原子位于體心，在三維坐標中，體心Ti原子可以形成3個面，每一個形成的面上有4個Ti原子；由晶胞的截圖可知，頂點Ti原子與小立方體頂點N原子最鄰近，與體對角線的N原子次近鄰；

②氮化鈦晶胞為面心立方密堆積，晶胞中N原子位于頂點和面心上，Ti位于棱邊上和體內，利用均攤法計算；

③利用均攤法計算；

（1）Fe元素的核電荷數為26，基態原子電子排布式為1s22s22p63s23p63d64s2，則價電子軌道表達式(電子排布圖)為；基態Ti2＋核外有20個電子，電子排布式為1s22s22p63s23p63d2，最高能層為M層，電子占據的M層具有的原子軌道數為9，故答案為：；9；

（2）Fe2+的價電子排布式為3d6，Fe3+的價電子排布式為3d5，能級為半滿狀態較穩定，則穩定性Fe2+小于Fe3+，故答案為：小于；Fe2+的價電子排布式為3d6，Fe3+的價電子排布式為3d5，Fe3+ 的3d能級為半滿狀態，較穩定；

（3）NH4+為正四面體結構，結構中含有極性鍵和配位鍵，氮原子和氫離子間的配位鍵是氮原子提供孤對電子，氫離子提供空軌道，其結構式為：，故答案為：；

（4）金屬鈦采用六方最密堆積的方式形成晶體，其晶胞結構為，則金屬鈦晶胞的俯視圖為，故答案為：D；

（5）①根據氮化鈦晶體可知，有一個Ti原子位于體心，在三維坐標中，體心Ti原子可以形成3個面，每一個形成的面上有4個Ti原子，則該Ti原子最鄰近的Ti的數目為3×4=12個；由晶胞的截圖可知，頂點Ti原子與小立方體頂點N原子最鄰近，與體對角線的N原子次近鄰，Ti原子與跟它最鄰近的N原子之間的距離為r，則跟它次鄰近的N原子之間的距離為=r，故答案為：12；r；

②氮化鈦晶胞為面心立方密堆積，晶胞中N原子位于頂點和面心上，Ti位于棱邊上和體內，每個晶胞中含有的N原子個數為8×+6×=4，含有的Ti原子個數為 12×+1=4，N原子和Ti原子的體積之和為π（a+b）3×4 pm3，晶胞的邊長（2a+2b）pm，體積為（2a+2b）3pm3，則在氮化鈦晶體中原子的空間利用率為×100%，故答案為：×100%；

③利用均攤法可知，晶胞中含有碳原子數為8×=1，含有氮原子數為6××=3，含有的Ti原子個數為 12×+1=4，則碳氮化鈦化合物的化學式為Ti4CN3，故答案為：Ti4CN3。