Question

【题目】庆祝新中国成立 70 周年阅兵式上，“东风-41 洲际弹道导弹”“歼 20”等护国重器闪耀亮相，它们都采用了大量合金材料。

回答下列问题：

(1)某些导弹的外壳是以碳纤维为增强体，金属钛为基体的复合材料。基态钛原子的外围电子排布式为_____。钛可与 C、N、O 等元素形成二元化合物，C、N、O 元素的电负性由大到小的顺序是_________。

(2)钛比钢轻，比铝硬，钛硬度比铝大的原因是_____。

(3)钛镍合金可用于战斗机的油压系统，该合金溶于热的硫酸生成 Ti（SO4）2、NiSO4，其中阴离子的立体构型为_____，S 的_____杂化轨道与 O 的 2p 轨道形成_____键（填 “π”或“σ”）。

(4)金属钛采用六方最密堆积的方式形成晶体，其晶胞的俯视图为_____（填字母序号）。

(5)氮化钛熔点高，硬度大，其晶胞结构如图所示。

若氮化钛晶体中 Ti 原子的半径为 a pm，N 原子的半径为 b pm，则氮化钛晶体中原子的空间利用率的计算式为_____（用含 a、b 的式子表示）。碳氮化钛化合物在航天航空领域有广泛的应用，其结构是用碳原子代替氮化钛晶胞顶点的氮原子，则这种碳氮化钛化合物的化学式为_____。

Answer 1

【答案】3d24s2 O＞N＞C Ti 原子的价电子数比 Al 多，金属键更强 正四面体形 sp3 σ D ×100% Ti4CN3

【解析】

(1)基态钛原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2，由此可确定外围电子排布式。C、N、O 元素的非金属性关系为O>N>C，电负性的关系与非金属性关系相同。

(2)钛硬度比铝大，从金属键的大小找原因。

(3)钛镍合金溶于热的硫酸生成 Ti(SO4)2、NiSO4，其中阴离子为SO42-，S 的价层电子对数为4，由此可确定其立体构型和S的杂化方式，S的杂化轨道与 O 的 2p 轨道头对头重叠。

(4)金属钛采用六方最密堆积的方式形成晶体，其晶胞的俯视图为，由此确定符合题意的图形。

(5)在氮化钛晶胞中，含Ti原子的个数为12×+1=4，含N原子个数为8×+6×=4，由此可求出原子的总体积，再由原子半径求晶胞的总体积，便可求出氮化钛晶体中原子的空间利用率的计算式。碳氮化钛化合物结构是用碳原子代替氮化钛晶胞顶点的氮原子，则晶胞中有1个N原子换成1个C原子，Ti原子个数不变，由此确定这种碳氮化钛化合物的化学式。

(1)基态钛原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d24s2，由此可确定外围电子排布式为3d24s2。C、N、O 元素的非金属性关系为O>N>C，则电负性：O＞N＞C。答案为：3d24s2；O＞N＞C；

(2)钛和铝都形成金属晶体，应从离子的带电荷分析钛硬度比铝大，其原因是Ti 原子的价电子数比Al多，金属键更强。答案为：Ti 原子的价电子数比 Al 多，金属键更强；

(3)钛镍合金溶于热的硫酸生成Ti(SO4)2、NiSO4，其中阴离子为SO42-，S 的价层电子对数为4，由此可确定其立体构型为正四面体形，S的杂化方式为sp3，S的杂化轨道与 O 的 2p 轨道头对头重叠，从而形成σ键。答案为：正四面体形；sp3；σ；

(4)金属钛采用六方最密堆积的方式形成晶体，其晶胞的俯视图为，由此确定符合题意的图形为D。答案为：D；

(5)在氮化钛晶胞中，含Ti原子的个数为12×+1=4，含N原子个数为8×+6×=4，由此可求出原子的总体积为，再由原子半径求晶胞的总体积为(2a+2b)3，便可求出氮化钛晶体中原子的空间利用率的计算式为。碳氮化钛化合物结构是用碳原子代替氮化钛晶胞顶点的氮原子，则晶胞中有1个N原子换成1个C原子，Ti原子个数不变，由此确定这种碳氮化钛化合物的化学式为Ti4CN3。答案为：；Ti4CN3。