Question

16．鍺（Ge）是典型的半導(dǎo)體元素，在電子、材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛．回答下列問題：
（1）Ge與C是同族元素，C原子之間可以形成雙鍵、叁鍵，但Ge原子之間難以形成雙鍵或叁鍵．從原子結(jié)構(gòu)角度分析，原因是Ge原子半徑大，原子間形成的σ單鍵較長，p-p軌道肩并肩重疊程度很小或幾乎不能重疊，難以形成π鍵．
（2）Ge在周期表中位于p區(qū)．
（3）光催化還原CO₂制備CH₄反應(yīng)中，帶狀納米Zn₂GeO₄是該反應(yīng)的良好催化劑．Zn、Ge、O電負(fù)性由大至小的順序是O＞Ge＞Zn．
（4）晶胞有兩個(gè)基本要素：
①原子坐標(biāo)參數(shù)，表示晶胞內(nèi)部各原子的相對位置，如圖為Ge單晶的晶胞類似金剛石，其中原子坐標(biāo)參數(shù)A為（0，0，0）；C為（$\frac{1}{2}$，$\frac{1}{2}$，0）D為（$\frac{1}{4}$，$\frac{1}{4}$，$\frac{1}{4}$）；．則B原子的坐標(biāo)參數(shù)為（$\frac{1}{2}$，0，$\frac{1}{2}$）．
②若Ge原子半徑為r，Ge單晶晶胞邊長為a，Ge原子在晶胞中的空間占有率為34%
（$\sqrt{3}$=1.732  π=3.14，保留三位有效數(shù)據(jù)）（注：晶胞中所有的球是等徑硬球，且A球和D球相切）

Answer 1

分析 （1）Ge原子半徑大，難以通過“肩并肩”方式形成π鍵；
（2）Ge是32號(hào)元素，位于第四周期第IVA族，基態(tài)Ge原子核外電子排布式為[Ar]3d¹⁰4s²4p²；
（3）元素的非金屬性越強(qiáng)，吸引電子的能力越強(qiáng)，元素的電負(fù)性越大；
（4）①D與周圍4個(gè)原子形成正四面體結(jié)構(gòu)，D與頂點(diǎn)A的連線處于晶胞體對角線上，過面心B、C及上底面面心原子的平面且平行側(cè)面將晶胞2等分，同理過D原子的且平衡側(cè)面的平面將半個(gè)晶胞2等等份可知D處于到各個(gè)面的$\frac{1}{4}$處；
②根據(jù)晶胞的均攤計(jì)算出晶胞中Ge的原子個(gè)數(shù)，則Ge原子的總體積除以晶胞的體積即得Ge原子的空間占有率．

解答 解：（1）雖然Ge與C是同族元素，C原子之間可以形成雙鍵、叁鍵，但考慮Ge的原子半徑大，難以通過“肩并肩”方式形成π鍵，所以Ge原子之間難以形成雙鍵或叁鍵，
故答案為：Ge原子半徑大，原子間形成的σ單鍵較長，p-p軌道肩并肩重疊程度很小或幾乎不能重疊，難以形成π鍵；
（2）Ge是32號(hào)元素，位于第四周期第IVA族，基態(tài)Ge原子核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p²或[Ar]3d¹⁰4s²4p²，在元素周期表中屬于p區(qū)，故答案為：p；
（3）元素非金屬性：Zn＜Ge＜O，元素的非金屬性越強(qiáng)，吸引電子的能力越強(qiáng)，元素的電負(fù)性越大，故電負(fù)性：O＞Ge＞Zn，
故答案為：O＞Ge＞Zn；
（4）①D與周圍4個(gè)原子形成正四面體結(jié)構(gòu)，D與頂點(diǎn)A的連線處于晶胞體對角線上，過面心B、C及上底面面心原子的平面且平行側(cè)面將晶胞2等分，同理過D原子的且平衡側(cè)面的平面將半個(gè)晶胞再2等份，可知D處于到各個(gè)面的處，則當(dāng)原子坐標(biāo)參數(shù)A為（0，0，0）；C為（$\frac{1}{2}$，$\frac{1}{2}$，0）D為（$\frac{1}{4}$，$\frac{1}{4}$，$\frac{1}{4}$），B原子的坐標(biāo)參數(shù)為（$\frac{1}{2}$，0，$\frac{1}{2}$），
故答案為：（$\frac{1}{2}$，0，$\frac{1}{2}$）；
②晶胞中Ge原子個(gè)數(shù)為8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，Ge原子的總體積為8×$\frac{4}{3}$r³，晶胞的體積為a³，由晶胞結(jié)構(gòu)可知晶胞的對角線長為8r，即8r=$\sqrt{3}$a，a³=$\frac{512}{3\sqrt{3}}$r³，則Ge原子在晶胞中的空間占有率為$\frac{8×\frac{4}{3}π{r}^{3}}{{a}^{3}}$×100%=34%，
故答案為：34%．

點(diǎn)評(píng) 本題是對物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的考查，涉及核外電子排布、化學(xué)鍵、晶體類型與性質(zhì)、電負(fù)性、雜化方式、晶胞計(jì)算等，（4）中晶胞計(jì)算為易錯(cuò)點(diǎn)、難點(diǎn)，需要學(xué)生具備一定的空間想象與數(shù)學(xué)計(jì)算能力，難度較大．