Question

18．硫化鋅熒光材料的研究從1868年法國(guó)化學(xué)家Sidot發(fā)現(xiàn)至今已有近150年的歷史．其中立方硫化鋅的晶胞如右圖所示．請(qǐng)回答下列問題：
（1）鋅元素在周期表中的位于第四周期IIB族，屬于ds區(qū)；
（2）基態(tài)鋅原子的價(jià)電子排布式為3d¹⁰4s²；
（3）一般鋅元素常表現(xiàn)為+2 價(jià)的原因是基態(tài)鋅原子失去兩個(gè)電子后，變?yōu)榈谌龑尤珴M的穩(wěn)定狀態(tài)；
（4）立方硫化鋅晶體的每個(gè)晶胞中含有4個(gè)鋅離子，其配位數(shù)為4；含有4個(gè)硫離子，其配位數(shù)為4；
（5）根據(jù)神奇的“百度”顯示，該晶胞的棱長(zhǎng)a=541pm，S^2-的半徑約為184pm，則 Zn²⁺在此晶胞中的半徑大約為50pm（精確到1pm）

Answer 1

分析 （1）結(jié)合元素周期表中元素的位置回答；
（2）根據(jù)能量最低原理，洪特規(guī)則，泡利不相容原理的知識(shí)來回答；
（3）離子的穩(wěn)定性的知識(shí)；
（4）晶胞的簡(jiǎn)單計(jì)算與配位數(shù)的知識(shí)，立方晶體，面上原子為2個(gè)晶胞共有，棱上原子為4個(gè)晶胞共有，頂點(diǎn)原子為4個(gè)晶胞共有，內(nèi)部原子為一個(gè)晶胞所有；
（5）聯(lián)想到金剛石晶胞與ZnS晶胞的結(jié)構(gòu)相似，根據(jù)晶胞幾何知識(shí)作答．

解答 解：（1）鋅元素在周期表中的位置是第四周期，IIB族元素．，位于ds區(qū)．故答案為：四，IIB，ds．
（2）基態(tài)鋅原子的電子排布式為[Ar]3d¹⁰4s²，則價(jià)電子排布式為3d¹⁰4s²．故答案為：3d¹⁰4s²．
（3）Zn原子的價(jià)電子排布式為3d¹⁰4s²，失去兩個(gè)電子后，3d軌道全滿，4s軌道全空，原子軌道為全滿，全空，半滿時(shí)，能量最低，比較穩(wěn)定．
故答案為：基態(tài)鋅原子失去兩個(gè)電子后，變?yōu)榈谌龑尤珴M的穩(wěn)定狀態(tài)．
（4）立方晶體，面上原子為2個(gè)晶胞共有，棱上原子為4個(gè)晶胞共有，頂點(diǎn)原子為4個(gè)晶胞共有，由晶胞圖可知，一個(gè)ZnS晶胞中含有的鋅離子數(shù)為$8×\frac{1}{8}+6×\frac{1}{2}=4$；一個(gè)Zn²⁺周圍有有4個(gè)S^2-，故配位數(shù)為4；一個(gè)晶胞中含有S^2-都在晶胞內(nèi)部，則晶胞中S^2-數(shù)目為4，ZnS的計(jì)量比為1：1，則S^2-的配位數(shù)為4．
故答案為：4，4，4，4．
（5）晶胞中，Zn為面心立方堆積方式，設(shè)Zn²⁺的半徑為r，ZnS的晶胞類似于金剛石的晶胞，左下角4個(gè)Zn和一個(gè)S組成一個(gè)四面體，夾角的余弦值在金剛石晶胞中可根據(jù)雜化軌道理論的鍵角公式算出為$cosθ=\frac{-\frac{1}{4}}{1-\frac{1}{4}}$=$-\frac{1}{3}$，這四面體中兩個(gè)Zn之間的距離為c，Zn-S鍵長(zhǎng)為x，根據(jù)余弦定理，則有$-\frac{1}{3}=\frac{2{x}^{2}-{c}^{2}}{2{x}^{2}}$，可得$c=\frac{2\sqrt{6}}{3}x$，注意到四面體中，兩個(gè)Zn之間的距離與晶胞邊長(zhǎng)的關(guān)系為$a=\sqrt{2}c$，則$a=\frac{4}{3}\sqrt{3}x$，則$r=\frac{\sqrt{3}}{4}a-184=50pm$．
故答案為：50．

點(diǎn)評(píng) 本題考察晶胞的知識(shí)，包括晶胞的計(jì)算，最后一問難度較大，需聯(lián)想到金剛石晶胞與ZnS晶胞是相似的構(gòu)型，注意到知識(shí)的遷移，考察稍有超綱，需借助金剛石晶胞中，大學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)的雜化軌道鍵角公式作答．