Question

4．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(wèn)題：
（1）基態(tài)Ge原子的核外電子排布式為[Ar]3d¹⁰4s²4p²，有2個(gè)未成對(duì)電子．
（2）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，原因是鍺的原子半徑大，原子之間形成的ρ單鍵較長(zhǎng)，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．
（3）比較下列鍺鹵化物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，分析其變化規(guī)律及原因GeCl₄、GeBr₄、GeI₄熔、沸點(diǎn)依次增高；原因是分子結(jié)構(gòu)相似，相對(duì)分子質(zhì)量依次增大，分子間相互作用力逐漸增強(qiáng)．

	GeCl4	GeBr4	GeI4
熔點(diǎn)/℃	-49.5	26	146
沸點(diǎn)/℃	83.1	186	約400

（4）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．
（5）Ge單晶具有金剛石型結(jié)構(gòu)，其中Ge原子的雜化方式為sp³微粒之間存在的作用力是共價(jià)鍵．
（6）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(duì)位置，如圖（1、2）為Ge單晶的晶胞，其中原子坐標(biāo)參數(shù)A為（0，0，0）；B為（$\frac{1}{2}$，0，$\frac{1}{2}$）；C為（$\frac{1}{2}$，$\frac{1}{2}$，0）．則D原子的坐標(biāo)參數(shù)為（$\frac{1}{4}$，$\frac{1}{4}$，$\frac{1}{4}$）．
②晶胞參數(shù)，描述晶胞的大小和形狀，已知Ge單晶的晶胞參數(shù)a=565.76pm，其密度為$\frac{8×73}{6.02×{{565.76}^{3}}}×{{10}^{7}}$g•cm^-3（列出計(jì)算式即可）．

Answer 1

分析 （1）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；
（2）Ge原子半徑大，難以通過(guò)“肩并肩”方式形成π鍵；
（3）鍺的鹵化物都是分子晶體，相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越強(qiáng)，熔沸點(diǎn)越高；
（4）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；
（5）Ge單晶具有金剛石型結(jié)構(gòu)，Ge原子與周?chē)?個(gè)Ge原子形成正四面體結(jié)構(gòu)，向空間延伸的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，屬于原子晶體；
（6）①D與周?chē)?個(gè)原子形成正四面體結(jié)構(gòu)，D與頂點(diǎn)A的連線(xiàn)處于晶胞體對(duì)角線(xiàn)上，過(guò)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(guò)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)均攤法計(jì)算晶胞中Ge原子數(shù)目，結(jié)合阿伏伽德羅常數(shù)表示出晶胞的質(zhì)量，再根據(jù)ρ=$\frac{m}{v}$計(jì)算晶胞密度．

解答 解：（1）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，在最外層的4s能級(jí)上2個(gè)電子為成對(duì)電子，4p軌道中2個(gè)電子分別處以不同的軌道內(nèi)，有2軌道未成對(duì)電子，
故答案為：3d¹⁰4s²4p²；2；
（2）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(guò)“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(zhǎng)，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；
（3）鍺的鹵化物都是分子晶體，分子間通過(guò)分子間作用力結(jié)合，對(duì)于組成與結(jié)構(gòu)相似的分子晶體，相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子間作用力越強(qiáng)，熔沸點(diǎn)越高，由于相對(duì)分子質(zhì)量：GeCl₄＜GeBr₄＜GeI₄，故沸點(diǎn)：GeCl₄＜GeBr₄＜GeI₄，
故答案為：GeCl₄、GeBr₄、GeI₄的熔、沸點(diǎn)依次增高；原因是分子結(jié)構(gòu)相似，分子量依次增大，分子間相互作用力逐漸增強(qiáng)；
（4）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；
（5）Ge單晶具有金剛石型結(jié)構(gòu)，Ge原子與周?chē)?個(gè)Ge原子形成正四面體結(jié)構(gòu)，向空間延伸的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，屬于原子晶體，Ge原子之間形成共價(jià)鍵，Ge原子雜化軌道數(shù)目為4，采取sp³雜化，
故答案為：sp³；共價(jià)鍵；
（6）①D與周?chē)?個(gè)原子形成正四面體結(jié)構(gòu)，D與頂點(diǎn)A的連線(xiàn)處于晶胞體對(duì)角線(xiàn)上，過(guò)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(guò)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$\frac{1}{4}$處，則D原子的坐標(biāo)參數(shù)為（$\frac{1}{4}$，$\frac{1}{4}$，$\frac{1}{4}$），
故答案為：（$\frac{1}{4}$，$\frac{1}{4}$，$\frac{1}{4}$）；
②晶胞中Ge原子數(shù)目為4+8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=8，結(jié)合阿伏伽德羅常數(shù)，可知出晶胞的質(zhì)量為$\frac{8×73g/mol}{6.02×1{0}^{23}mo{l}^{-1}}$，晶胞參數(shù)a=565.76pm，
其密度為$\frac{8×73g/mol}{6.02×1{0}^{23}mo{l}^{-1}}$÷（565.76×10^-10cm）³=$\frac{8×73}{6.02×{{565.76}^{3}}}×{{10}^{7}}$，
故答案為：$\frac{8×73}{6.02×{{565.76}^{3}}}×{{10}^{7}}$．

點(diǎn)評(píng) 本題是對(duì)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(lèi)型與性質(zhì)、電負(fù)性、雜化方式、晶胞計(jì)算等，（6）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．