Question

【題目】南京工業大學某研究團隊最近在《Nature Communications》刊文介紹了他們開發的一種新型催化劑——反鈣鈦礦基非貴金屬催化劑，這種價廉的新型催化劑結合了鈣鈦礦結構的靈活性和過渡金屬氮(碳)化合物的高導電性、優異電催化性等優點，理論上來說是一種很有發展潛力的析氧反應電催化劑。回答下列問題：

(1)基態氮原子核外未成對電子數為________，基態碳原子核外電子云有_______個伸展方向。

(2)在周期表中，N、O、F是位于同周期且相鄰的三種元素，第一電離能最大的元素和最小的元素組成一種只含極性鍵的化合物M，M分子的立體構型是_________，中心原子的雜化類型是________。

(3)在周期表中，鋇位于第六周期ⅡA族，鈦酸鋇、鈦酸鈣的熔點分別為1625℃、1975℃，二者熔點差異的原因為__。

(4)鈦酸鈣的晶胞如圖所示，鈦酸鈣的化學式為_____________；1個鈦離子與________個氧離子等距離且最近，這些氧離子可構成正八面體，鈦離子位于該正八面體的體心。已知鈦酸鈣的晶胞參數為a nm，則該正八面體的邊長為________pm。

(5)Fe和N可組成一種過渡金屬氮化物，其晶胞如圖所示，六棱柱底邊邊長為x cm，高為y cm，NA為阿伏加德羅常數的值，則晶胞的密度為________________g·cm-3(列出計算式即可)。

Answer 1

【答案】3 3 V形 sp3 同為離子晶體，Ca2+的半徑小于Ba2+，CaTiO3的晶格能大于BaTiO3 CaTiO3 6 500a

【解析】

(1)基態氮原子的核外電子排布式為1s22s22p3，基態C原子的核外電子排布式為1s22s22p2，由電子排布式分析可得；

(2)第一電離能的大小順序為F>N>O，則M為只含極性鍵的OF2，由價層電子對數和孤對電子對數確定原子雜化方式和分子空間構型；

(3)兩種晶體都是離子晶體，從離子半徑角度分析，比較晶格能的大小；

(4)由分攤法計算鈦酸鈣的化學式，1個鈦離子周圍有6個氧離子與其等距離且最近，正八面體邊長等于晶胞邊長的倍；

(5) 由分攤法計算可得。

（1）基態N原子的核外電子排布式為1s22s22p3，s能級有1個軌道，1s、2s電子為成對電子，2p能級有3個軌道，3個電子各占據1個軌道，是未成對電子，則未成對電子數為3個；基態C原子的核外電子排布式為1s22s22p2，s能級上電子云只有1個伸展方向，2p能級上只填充2個電子，有2個伸展方向，共有3個伸展方向，故答案為：3；3；

（2）同一周期元素的第一電離能隨著原子序數增大而增大，氮N元素的2p軌道電子處于半充滿狀態，穩定性較強，則第一電離能大小的順序為F＞N＞O，第一電離能最大的F元素和最小的O元素組成一種只含極性鍵的化合物M的分子式為OF2，OF2分子中O原子的價層電子對數為4，孤對電子對數為2，則O原子的雜化方式為sp3雜化，分子的空間構型為V形，故答案為：V形；sp3；

（3）離子晶體具有較高的熔點，離子晶體的晶格能越大，熔點越高，由熔點可知，鈦酸鋇、鈦酸鈣均為離子晶體，Ca2＋的半徑小于Ba2＋，CaTiO3的晶格能大于BaTiO3，則鈦酸鋇的熔點小于鈦酸鈣，故答案為：同為離子晶體，Ca2+的半徑小于Ba2+，CaTiO3的晶格能大于BaTiO3；

（4）由晶胞結構可知，晶胞中鈣離子的個數為1，鈦離子的個數為8×=1，氧離子個數為12×=3，離子個數比為1:1:3，則鈦酸鈣的化學式為CaTiO3；1個鈦離子周圍有6個氧離子與其等距離且最近，正八面體邊長等于晶胞邊長的倍，1 nm＝103 pm，則該正八面體的邊長為×103 pm＝500a pm，故答案為：CaTiO3；6；500a；

（5）由晶胞結構可知，晶胞含有12× ＋2×＋3＝6個Fe原子，含有2個N原子，六棱柱的底面由6個正三角形構成，正三角形的高為x cm，每個正三角形的面積為x2 cm2，晶胞的體積為cm3，則晶胞的密度為g/ cm3，故答案為：。