Question

2016年中国科学家成功合成NiO/TiO₂电解水催化剂和新型高效的钙钛矿太阳能电池，为解决能源危机保护环境作出了重大贡献。请回答下列问题：

(1)TiO₂与焦炭、Cl₂在高温下反应的化学方程式为：TiO₂+2C+2Cl₂ TiCl₄+2CO。

①基态钛原子的价电子排布式为_________________。

②该反应中涉及到的非金属元素的电负性大小顺序为_______________________。

(2)已知NiO/TiO₂催化化合物甲生成化合物乙的过程如图所示：

化合物甲的沸点小于化合物乙的沸点，主要原因是___________________。在化合物乙中，氧原子的杂化方式是______________。

(3)CH₃NH₃⁺、Ti⁴⁺、Pb²⁺、Cl^-等离子是组成新型钙钛矿太阳能电池的主要离子。CH₃NH₃⁺离子中H—N—H键的键角比NH₃分子中H—N—H键的键角 ______ （填“大”或“小”），原因是_____________ 。

(4)Sb(锑)和Ga(镓)的卤化物有很多用途。一定条件下将SbCl₃与GaCl₃以物质的量之比为l：l反应得到一种固态离子化合物，有人提出了以下两种结构。你认为下列关于结构和说法中合理的是 ____ 。

a. [SbCl₂⁺][GaCl₄^-]    b. [GaCl²⁺][SbCl₄^-]    c. 没有相关资料，无法判断

(5)金属钛晶胞(如图1所示)中有若干个正四面体空隙，图1中a、b、c、d四个钛原子形成的正四面体其内部空隙中可以填充其他原子。

①请回答，金属钛晶胞的结构属于____________。

a. 简单立方    b. 体心立方    c. 面心立方    d. 金刚石型

②若晶胞中所有的正四面体空隙中都填充氢原子，那么形成的氢化钛的化学式为______________。

(6)某钙钛矿太阳能电池材料的晶胞如图2所示，其晶胞参数为d pm、密度为ρ g·cm^-3。则该晶体的摩尔质量________ g·mol^-1。（用含d、ρ等符号的式子表示，用N_A表示阿伏加德罗常数的值）

Answer

3d24s2 O＞Cl＞C 二者均为分子晶体，化合物乙能形成分子间氢键 sp3 大 成键电子(C-N键)对H-N键的排斥力小于孤电子对对H-N键的排斥力 a c TiH2 d3ρNA×10-30

【解析】

(1)①Ti是22号元素，核外电子排布式是1s22s22p63s23p63d24s2，其价层电子排布式是3d24s2，

②在反应TiO2+2C+2Cl2 TiCl4+2CO中涉及的非金属元素有C、O、Cl，元素的非金属性O＞Cl＞C，元素的非金属性越强，其相应的电负性也越大，故三种元素的电负性由大到小的顺序为O＞Cl＞C；

(2)化合物甲、乙都是由分子构成的分子晶体，分子之间通过分子间作用力结合，而化合物乙中还含有氨基，由于N原子半径小，元素非金属性强，分子之间还存在氢键，增加了分子之间的吸引力，使得乙的熔沸点比甲高；在化合物乙中O原子价层电子对数是4，因此O原子杂化类型为sp3杂化；

(3)由于孤对电子与成键电子对间的排斥作用大于成键电子对之间排斥作用，所以对于CH3NH3+离子中，成键电子(C-N键)对H-N键的排斥力小于孤电子对对H-N键的排斥力，所以H—N—H键的键角比NH3分子中H—N—H键的键角大；

(4)SbCl3中Sb原子周围价层电子对数为4，而GaCl3分子中Ga原子周围价层电子对数为3，是电子对的接受体，更容易与Cl-上的孤电子对结合，形成配位键，构成[GaCl4-]离子，因此可能结构应是[SbCl2+][GaCl4-]，故合理选项是a；

(5)①根据晶体Ti的结构可知：Ti原子在晶胞的顶点和面心上，因此Ti属于面心立方最密堆积，故合理选项是c；

②在Ti晶胞中含有Ti原子数目为8×+6×=4，若a、b、c、d四个钛原子形成的正四面体其内部空隙中可以填充其他原子，根据图示可知1个Ti晶胞可以形成8个正四面体，则可填充8个H原子，所以该晶体中Ti、H原子个数比为4：8=1：2，故化合物的化学式为TiH2；

(6)晶胞参数为d pm=d×10-10 cm，密度为ρ g·cm-3，则根据可知该晶体的晶胞质量为m=(d×10-10cm)3×ρ g·cm-3=d3ρ×10-30 g，1 mol物质中含有晶胞数目为NA，所以该晶体的摩尔质量M=mNA=d3ρ×10-30 g×NA/mol=d3ρNA×10-30 g/mol。