Question

13．2015年8月28日，由中國稀土行業協會儲氫材料分會主辦的“2015中國稀土儲氫論壇”在山東省棗莊召開，與會代表共同研究解決儲氫合金產業化發展過程中存在的各類問題，為儲氫材料未來的發展尋求創新之路．鈦（Ti）、釩（V）、鎳（Ni）、鑭（La）等在儲氫材料方面具有廣泛的用途．
下面是一些晶體材料的結構示意圖．

請回答下列問題：
（1）寫出鎳原子的核外電子排布式：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s²．
（2）鈦金屬晶體的原子堆積方式如圖1所示，則每個鈦原子周圍有12個緊鄰的鈦原子．
（3）鑭系合金是稀土系儲氫合金的典型代表．某合金儲氫后的晶胞如圖2所示，該合金的化學式為LaNi₅，1mol鑭形成的該合金能儲存3mol氫氣．
（4）嫦娥三號衛星上的PTC元件（熱敏電阻）的主要成分--鋇鈦礦晶體結構如圖3所示，該晶體經X射線分析鑒定，重復單位為立方體，邊長為acm．頂點位置被Ti⁴⁺所占據，體心位置被Ba²⁺所占據，所有棱心位置被O^2-所占據．
①該晶體中的O元素與氫形成的化合物的中心原子的雜化類型為sp³，其分子空間構型為V形．
②該晶體中的O元素與其同周期左右相鄰的元素第一電離能由大到小的順序是F＞N＞O，電負性由小到大的順序是N＜O＜F．
③寫出該晶體的化學式：BaTiO₃．
④若該晶體的密度為ρg/cm³，阿伏加德羅常數的值為N_A，則a=$\root{3}{\frac{233}{ρ{N}_{A}}}$cm．

Answer 1

分析 （1）Ni原子核外電子數為28，根據能量最低原理書寫核外電子排布式；
（2）由鈦晶體的原子堆積方式可知，屬于六方最密堆積；
（3）根據均攤法計算晶胞中La、Ni原子數目，進而確定化學式；計算晶胞中氫氣分子數目，結合晶胞中La與氫氣分子數目之比計算1mol鑭形成的該合金能儲存氫氣物質的量；
（4）①該晶體中的O元素與H形成的簡單化合物為H₂O，O原子形成2個O-H鍵，含有2對孤對電子；
②原子的得電子能力越強，其電負性的數值越大；同一周期元素，元素的第一電離能隨著原子序數增大而增大，但第IIA族、第VA族元素第一電離能大于其相鄰元素，據此判斷第一電離能大小順序；
③根據均攤法計算晶胞中O、Ti、Ba原子數目，進而確定化學式；
④結合晶胞含有原子數目計算晶胞質量，再根據V=$\frac{m}{ρ}$計算晶胞體積，晶胞邊長=$\root{3}{{V}_{晶胞}}$．

解答 解：（1）Ni原子核外電子數為28，根據能量最低原理，核外電子排布式為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s²，
故答案為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s²；
（2）由鈦晶體的原子堆積方式可知，屬于六方最密堆積，原子配位數為12，即每個鈦原子周圍有12個緊鄰的鈦原子，
故答案為：12；
（3）算晶胞中La原子數目為8×$\frac{1}{8}$=1、Ni原子數目=1+8×$\frac{1}{2}$=5，故合金的化學式為LaNi₅，晶胞中氫氣分子數目為2×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{4}$=3，1mol鑭形成的該合金能儲存氫氣物質的量為3mol，
故答案為：LaNi₅；3；
（4）①該晶體中的O元素與H形成的簡單化合物為H₂O，O原子形成2個O-H鍵，含有2對孤對電子，氧原子采取sp³雜化，空間構型為V形，
故答案為：sp³；V形；
②元素原子的得電子能力越強，則電負性越大，所以F＞O＞N＞C；
同一周期元素，元素的第一電離能隨著原子序數增大而增大，但第IIA族、第VA族元素第一電離能大于其相鄰元素，C、N、O元素處于同一周期且原子序數逐漸增大，N處于第VA族，所以第一電離能F＞N＞O＞C，故答案為：F＞N＞O； N＜O＜F；
③晶胞中O氧原子數目為12×$\frac{1}{4}$=3、Ti原子數目為8×$\frac{1}{8}$=1、Ba原子數目1，故化學式為：BaTiO₃，
故答案為：BaTiO₃；
④晶胞質量=$\frac{137+48+16×3}{{N}_{A}}$g，晶體的密度為ρg/cm³，則晶胞邊長=$\root{3}{\frac{\frac{233}{{N}_{A}}g}{ρg•c{m}^{-3}}}$=$\root{3}{\frac{233}{ρ{N}_{A}}}$cm，
故答案為：$\root{3}{\frac{233}{ρ{N}_{A}}}$．

點評 本題是對物質結構與性質的考查，涉及核外電子排布、雜化方式與空間構型判斷、晶胞結構與計算等，注意理解金屬晶體的堆積方式，對學生的空間想象有一定的要求，難度中等．