化学一一选修3:物质结构与性质锗（Ge）是典型的半导体元素，-优题课

[化学一一选修3: 物质结构与性质]

锗（Ge）是典型的半导体元素，在电子、材料等领域应用广泛。回答下列问题:

(1) 基态 Ge 原子的核外电子排布式为[Ar] ，有个末成对电子。

(2) Ge 与 C 是同族元素, $C$ 原子之间可以形成双键、叁键, 但 $Ge$ 原子之间难以形成双键或叁键。从原子结构角度分析，原因是。

（3）比较下列锗卤化物的熔点和沸点, 分析其变化规律及原因。

	${GeCl}_{4}$	${GeBr}_{4}$	${Gel}_{4}$
熔点/ $^{\circ} C$	$- 49.5$	26	146
沸点/ $^{\circ} C$	$83.1$	186	约 400

(4) 光催化还原 ${CO}_{2}$ 制备 ${CH}_{4}$ 反应中，带状纳米 ${Zn}_{2} {GeO}_{4}$ 是该反应的良好催化剂。 $Zn$ 、Ge、O 电负性由大至小的顺序是。

(5) Ge 单晶具有金刚石型结构, 其中 $Ge$ 原子的杂化方式为_ , 微粒之间存在的作用力是_ 。

（6）晶胞有两个基本要素：

①原子坐标参数, 表示晶胞内部各原子的相对位置, 下图为 Ge 单晶的晶胞, 其中原子坐标参数 $A$ 为 $(0 ， 0 ， 0) ； B$ 为 $(\frac{1}{2} ， 0 ， \frac{1}{2}) ； C$ 为 $(\frac{1}{2} ， \frac{1}{2} ， 0)$ 。则 $D$ 原子的坐标参数为。

②晶胞参数, 描述晶胞的大小和形状，已知 Ge 单晶的晶胞参数 $a = 565.76 pm$ , 其密度为 $g \cdot {cm}^{- 3}$ (列出计算式即可)。

科目化学题型解答题难度中等

知识点：化学键电子式结构式原子核外电子排布结构简式元素电离能、电负性的含义及应用原子结构与元素的性质晶体的类型与物质熔点、硬度、导电性等的关系晶胞的计算原子轨道杂化方式及杂化类型判断

我国科学家研发的全球首套千吨级太阳能燃料合成项目被形象地称为"液态阳光"计划。该项目通过太阳能发电电解水制氢，再采用高选择性催化剂将二氧化碳加氢合成甲醇。回答下列问题：

（1）太阳能电池板主要材料为单晶硅或多晶硅。Si的价电子层的电子排布式为______；单晶硅的晶体类型为_______。SiCl ₄是生产高纯硅的前驱体，其中Si采取的杂化类型为______。SiCl ₄可发生水解反应，机理如下：

含s、p、d轨道的杂化类型有：①dsp ²、②sp ³d、③sp ³d ²，中间体SiCl ₄(H ₂O)中Si采取的杂化类型为_______ (填标号)。

（2）CO ₂分子中存在________个σ键和________个π键。

（3）甲醇的沸点(64.7℃)介于水(100℃)和甲硫醇(CH ₃SH，7.6℃)之间，其原因是_____________。

（4）我国科学家发明了高选择性的二氧化碳加氢合成甲醇的催化剂，其组成为ZnO/ZrO ₂固溶体。四方ZrO ₂晶胞如图所示。Zr ⁴⁺离子在晶胞中的配位数是____________，晶胞参数为 apm、 apm、 cpm，该晶体密度为____________g·cm ^-3(写出表达式)。在ZrO ₂中掺杂少量ZrO后形成的催化剂，化学式可表示为Zn _xZr _1- _xO _y，则 y=____________(用 x表达)。

二氧化碳催化加氢制甲醇，有利于减少温室气体二氧化碳。回答下列问题：

（1）二氧化碳加氢制甲醇的总反应可表示为：

$C O_{2} (g) + 3 H_{2} (g) = C H_{3} OH (g) + H_{2} O (g)$

该反应一般认为通过如下步骤来实现：

① $C O_{2} (g) + H_{2} (g) = CO (g) + H_{2} O (g) Δ H_{1} = + 41 kJ \cdot mo l^{- 1}$

② $CO (g) + 2 H_{2} (g) = C H_{3} OH (g) Δ H_{2} = - 90 kJ \cdot mol$

总反应的 $ΔH =$ _______ $kJ \cdot mo l^{- 1}$ ；若反应①为慢反应，下列示意图中能体现上述反应能量变化的是________（填标号），判断的理由是_______。

（2）合成总反应在起始物 $n (H_{2}) / n (C O_{2}) = 3$ 时，在不同条件下达到平衡，设体系中甲醇的物质的量分数为 $x (C H_{3} OH)$ ，在 $t = 250$ ℃下的 $x (C H_{3} OH) \sim p$ 、在 $p = 5 \times 1 0^{5} Pa$ 下的 $x (C H_{3} OH) ~ t$ 如图所示。

①用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数，表达式 $K_{p} =$ ________；

②图中对应等压过程的曲线是________，判断的理由是_________；

③当 $x (C H_{3} OH) = 0.10$ 时， $C O_{2}$ 的平衡转化率 $α =$ __________，反应条件可能为________或_______。

胆矾（ $CuS O_{4} \cdot 5 H_{2} O$ ）易溶于水，难溶于乙醇。某小组用工业废铜焙烧得到的 $CuO$ （杂质为氧化铁及泥沙）为原料与稀硫酸反应制备胆矾，并测定其结晶水的含量。回答下列问题：

（1）制备胆矾时，用到的实验仪器除量筒、酒精灯、玻璃棒、漏斗外，还必须使用的仪器有________（填标号）。

烧杯

容量瓶

蒸发皿

移液管

（2）将 $CuO$ 加入到适量的稀硫酸中，加热，其主要反应的化学方程式为___________，与直接用废铜和浓硫酸反应相比，该方法的优点是_________。

（3）待 $CuO$ 完全反应后停止加热，边搅拌边加入适量 $H_{2} O_{2}$ ，冷却后用 $N H_{3} \cdot H_{2} O$ 调 $pH$ 为3.5～4，再煮沸 $10 \min$ ，冷却后过滤。滤液经如下实验操作：加热蒸发、冷却结晶、________、乙醇洗涤、________，得到胆矾。其中，控制溶液 $pH$ 为3.5～4的目的是_________，煮沸 $10 \min$ 的作用是_________。

（4）结晶水测定：称量干燥坩埚的质量为 $m_{1}$ ，加入胆矾后总质量为 $m_{2}$ ，将坩埚加热至胆矾全部变为白色，置于干燥器中冷至室温后称量，重复上述操作，最终总质量恒定为 $m_{3}$ 。根据实验数据，胆矾分子中结晶水的个数为_________（写表达式）。

（5）下列操作中，会导致结晶水数目测定值偏高的是________（填标号）。

A．	①胆矾未充分干燥
B．	②坩埚未置于干燥器中冷却
C．	③加热时有少胆矾迸溅出来

碘（紫黑色固体，微溶于水）及其化合物广泛用于医药、染料等方面。回答下列问题：

（1） $I_{2}$ 的一种制备方法如下图所示：

$净化除氯后含 I 海水 \overset{}{\to} \overset{\underset{↓}{AgN O_{3}}}{富集} \overset{}{\to} 悬浊液 \overset{}{\to} \overset{\underset{\underset{↓}{Fe 粉}}{\overset{↓}{沉淀}}}{转化} \overset{}{\to} \overset{\underset{↓}{C l_{2}}}{氧化} \overset{}{\to} I_{2}$

①加入 $Fe$ 粉进行转化反应的离子方程式为_________，生成的沉淀与硝酸反应，生成________后可循环使用。

②通入 $C l_{2}$ 的过程中，若氧化产物只有一种，反应的化学方程式为__________；若反应物用量比 $n (C l_{2}) / n (Fe I_{2}) = 1.5$ 时，氧化产物为_________；当 $n (C l_{2}) / n (Fe I_{2}) > 1.5$ ，单质碘的收率会降低，原因是___________。

（2）以 $NaI O_{3}$ 为原料制备 $I_{2}$ 的方法是：先向 $NaI O_{3}$ 溶液中加入计量的 $NaHS O_{3}$ ，生成碘化物；再向混合溶液中加入 $NaI O_{3}$ 溶液，反应得到 $I_{2}$ ，上述制备 $I_{2}$ 的总反应的离子方程式为__________。

（3） $KI$ 溶液和 $CuS O_{4}$ 溶液混合可生成 $CuI$ 沉淀和 $I_{2}$ ，若生成 $1 mol I_{2}$ ，消耗的 $KI$ 至少为_______ $mol$ 。 $I_{2}$ 在 $KI$ 溶液中可发生反应： $I_{2} + I^{-} \overset{}{⇇} {I^{-}}_{3}$ 。实验室中使用过量的 $KI$ 与 $CuS O_{4}$ 溶液反应后，过滤，滤液经水蒸气蒸馏可制得高纯碘。反应中加入过量 $KI$ 的原因是________。

某同学利用Cl₂氧化K₂MnO₄制备KMnO₄的装置如图所示（夹持装置略）：

已知：锰酸钾（K₂MnO₄）在浓强碱溶液中可稳定存在，碱性减弱时易发生反应：3MnO₄²^﹣+2H₂O═2MnO₄^﹣+MnO₂↓+4OH^﹣

回答下列问题：

（1）装置A中a的作用是　　；装置C中的试剂为　　；装置A中制备Cl₂的化学方程式为　　。

（2）上述装置存在一处缺陷，会导致KMnO₄产率降低，改进的方法是　　。

（3）KMnO₄常作氧化还原滴定的氧化剂，滴定时应将KMnO₄溶液加入　酸式　（填“酸式”或“碱式”）滴定管中；在规格为50.00 mL的滴定管中，若KMnO₄溶液起始读数为15.00 mL，此时滴定管中KMnO₄溶液的实际体积为　　（填标号）。

A．15.00 mL B．35.00 mL C．大于35.00 mL D．小于15.00 mL

（4）某FeC₂O₄•2H₂O样品中可能含有的杂质为Fe₂（C₂O₄）₃、H₂C₂O₄•2H₂O，采用KMnO₄滴定法测定该样品的组成，实验步骤如下：

Ⅰ．称取mg样品于锥形瓶中，加入稀H₂SO₄溶解，水浴加热至75℃．用c mol•L^﹣¹的KMnO₄溶液趁热滴定至溶液出现粉红色且30s内不褪色，消耗KMnO₄溶液V₁mL。

Ⅱ．向上述溶液中加入适量还原剂将Fe³⁺完全还原为Fe²⁺，加入稀H₂SO₄酸化后，在75℃继续用KMnO₄溶液滴定至溶液出现粉红色且30s内不褪色，又消耗KMnO₄溶液V₂mL。

样品中所含H₂C₂O₄•2H₂O（M＝126g•mol^﹣¹）的质量分数表达式为　　。

下列关于样品组成分析的说法，正确的是　　（填标号）。

A． $\frac{V_{1}}{V_{2}} =$ 3时，样品中一定不含杂质

B． $\frac{V_{1}}{V_{2}}$ 越大，样品中H₂C₂O₄•2H₂O含量一定越高

C．若步骤Ⅰ中滴入KMnO₄溶液不足，则测得样品中Fe元素含量偏低

D．若所用KMnO₄溶液实际浓度偏低，则测得样品中Fe元素含量偏高