Question

18．以氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料目前已成為全球半導體研究的前沿和熱點．回答下列問題：
（1）鎵為元素周期表第31號元素，鎵原子價層電子排布圖為．
（2）氮所在主族中第一電離能最大的元素是N（填元素符號，下同），鎵所在主族中電負性最大的元素是B．
（3）傳統(tǒng)的氮化鎵制備方法是采用GaCl₃與NH₃在一定條件下反應，該反應的化學方程式為GaCl₃+NH₃=GaN+3HCl．
（4）氮化鎵與金剛石具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，氮化鎵中氮原子與鎵原子之間以共價鍵相結(jié)合，氮化鎵屬于原子晶體晶體．
（5）如圖是氮化鎵的晶胞模型：
①氮化鎵中鎵原子的雜化方式為sp³，氮原子的配位數(shù)為4．
②氮化鎵為立方晶胞，氮化鎵的密度為d g/cm³．列出計算氮化鎵晶胞邊長a的表達式：a=$\root{3}{\frac{168}{ρ•{N}_{A}}}$cm．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)鎵原子序數(shù)，寫出核外電子排布式，找出價電子，從而寫出其基態(tài)時的價層電子排布圖；
（2）根據(jù)元素周期律，同主族元素從個向下，第一電離能逐漸減小，電負性逐漸減小，據(jù)此判斷；
（3）根據(jù)反應物和生成物，利用元素守恒寫出化學方程式；
（4）利用該晶體與金剛石具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，而金剛石中碳原子通過共價鍵相互作用形成了原子晶體，據(jù)此答題；
（5）①根據(jù)其形成的共價鍵數(shù)目判斷雜化方式，觀察晶胞結(jié)構(gòu)圖判斷配位數(shù)；
②利用密度求出晶胞的體積，再求得晶胞邊長．

解答 解：（1）鎵原子序數(shù)為31，所以其核外電子排布式為：1s²2s²2p⁶3s³3p⁶3d¹⁰4s²4p¹，最外層電子為價電子，價電子排布式為：4s²4p¹，即4s軌道有一對自旋相反的電子，4p軌道只有一個電子，
故答案為：；
（2）第一電離能同主族從上到下，越來越小，N元素為該主族最上面的元素，第一電離能最大；電負性從上到下，越來越小，鎵所在族最上面的元素為B，
故答案為：N；B；
（3）反應物為NH₃和GaCl₃，生成物為GaN，不難判斷出另一種產(chǎn)物為HCl，根據(jù)原子守恒寫出化學方程式，
故答案為：GaCl₃+NH₃=GaN+3HCl；
（4）由于氮化鎵與金剛石具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，所以氮化鎵為原子晶體，原子之間以共價鍵結(jié)合在一起，
故答案為：共價鍵、原子晶體；
（5）①根據(jù)晶胞可以看到Ga可以相鄰的四個N形成共價鍵，即Ga形成四條共價鍵，所以雜化類型為sp³雜化；觀察晶胞結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)N原子周圍距離最近的Ga數(shù)目為4，即配位數(shù)為4，故答案為：sp³；4；
②GaN晶胞中，Ga位于頂點和體心，所以含有Ga數(shù)為：$8×\frac{1}{8}+1$=2，N原子位于棱和體心，所以N數(shù)為：$4×\frac{1}{4}+1$=2，GaN晶胞中含有兩個GaN，晶胞邊長為$\root{3}{\frac{m}{ρ}}$=$\root{3}{\frac{\frac{2×84}{{N}_{A}}}{ρ}}$=$\root{3}{\frac{168}{ρ•{N}_{A}}}$，
故答案為：$\root{3}{\frac{168}{ρ•{N}_{A}}}$．

點評 本題綜合考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，涉及核外電子排布規(guī)律、電離能、雜化理論、分子結(jié)構(gòu)、晶胞結(jié)構(gòu)，為典型習題．