Question

3．2014年诺贝尔物理学奖得主的贡献是发明了一种高效而环保的光源--蓝色发光二极管（LED）．某同学对此非常感兴趣，请你帮助某同学完成资料收集的工作．
（一）LED研究起始于对碳化硅晶体的研究．1907年，英国科学家Henry Joseph Round发现在施加电流时能够在碳化硅晶体中发现发光现象．
（1）碳化硅晶体属于原子晶体．
（2）碳化硅的晶胞结构与金刚石的相似，在碳化硅晶体中，碳原子所连接最小的环由3个碳原子和3个硅原子组成，每个碳原子连接12个这样的环．
（3）碳化硅中，碳原子采取sp³杂化方式，与周围的硅原子形成的键角为109°28’．
（4）请结合原子结构的知识解释发光的原因：电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，以光的形式释放能量．
（二）准现代LED．1962年，GE公司使用磷砷化镓（GaAs_xP_1-x）材料制成了红色发光二极管．这是第一颗可见光LED，被视为现代LED之祖．随后又出现了绿色LED磷化镓（GaP）和黄色LED碳化硅，使光谱拓展到橙光、黄光和绿光．
（5）镓在元素周期表的位置是第四周期ⅢA族，其基态原子的价电子排布式为4s²4p¹．
（6）人们发现在磷砷化镓或磷化镓中掺杂氮（利用氮代替磷或砷的位置），可以提高其发光效率．其原因不可能为BC（多选）．
A、氮的半径比磷和砷的半径小，用氮代替部分磷或砷的位置不会影响晶体的构型．
B、N的第一电离能大于磷和砷，容易失去电子，发生电子跃迁．
C、N的电负性大，掺杂后得到的位置中存在氢键．
D、N是与砷、磷具有相同价电子结构的杂质，但对电子束缚能力较磷和砷强，造成等电子陷阱．
（三）1993年，中村修二等人开发出首个明亮蓝光的氮化镓LED．凭借此成就，他获得了2014年诺贝尔物理学奖．
（7）为测试氮化镓绿色LED光强与电流的关系，得到如图，从图中你能得到规律其他条件相同时，当电流小于153.0 mA时，氮化镓绿色LED光强随着电流的增加而增强，当电流大于153.0 mA时，光强随着电流的增强而减弱（写一条即可）

Answer 1

分析 （1）碳化硅晶体属于原子晶体；
（2）金刚石晶体中，碳原子所连接最小的环含有6个碳原子，碳化硅晶体中最小的环含有6个原子，且C、Si原子数目之比为1：1；
每个C原子形成4个C-Si键，任意2个C-Si决定2个六元环，4个C-Si键有6种组合；
（3）碳化硅中，碳原子形成4个C-Si键，杂化轨道数目为4，C原子与周围的4个Si原子形成正四面体结构；
（4）电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，以光的形式释放能量；
（5）镓在元素周期表的位置是：第四周期ⅢA族；
（6）第一电离能越大，越不容易失去电子，磷砷化镓或磷化镓中没有H原子，掺杂N原子不能形成氢键；
（7）由图可知，其他条件相同时，当电流小于153.0 mA时，氮化镓绿色LED光强随着电流的增加而增强，当电流大于153.0 mA时，光强随着电流的增强而减弱．

解答 解：（1）碳化硅晶体属于原子晶体，故答案为：原子；
（2）金刚石晶体中，碳原子所连接最小的环含有6个碳原子，碳化硅晶体中最小的环含有6个原子，且C、Si原子数目之比为1：1，则在碳化硅晶体中，碳原子所连接最小的环由3个碳原子和3个硅原子组成，每个C原子形成4个C-Si键，任意2个C-Si决定2个六元环，4个C-Si键有6种组合，所以每个碳原子连接2×6=12 个这样的环，
故答案为：3；3；12；
（3）碳化硅中，碳原子形成4个C-Si键，杂化轨道数目为4，C原子采取sp³杂化，C原子与周围的4个Si原子形成正四面体结构，键角为：109°28’，
故答案为：sp³；109°28’；
（4）电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，以光的形式释放能量，
故答案为：电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，以光的形式释放能量；
（5）镓在元素周期表的位置是：第四周期ⅢA族，其基态原子的价电子排布式为4s²4p¹，
故答案为：第四周期ⅢA族；4s²4p¹；
（6）A．氮的半径比磷和砷的半径小，用氮代替部分磷或砷的位置不会影响晶体的构型，可能正确；
B．N的第一电离能大于磷和砷，不容易失去电子，故不可能正确；
C．磷砷化镓或磷化镓中没有H原子，掺杂N原子不能形成氢键，不可能正确；
N的电负性大，掺杂后得到的位置中存在氢键．
D．N是与砷、磷具有相同价电子结构的杂质，N引导电负性较大，但对电子束缚能力较磷和砷强，造成等电子陷阱，可能正确，
故选：BC；
（7）由图可知，其他条件相同时，当电流小于153.0 mA时，氮化镓绿色LED光强随着电流的增加而增强，当电流大于153.0 mA时，光强随着电流的增强而减弱，
故答案为：其他条件相同时，当电流小于153.0 mA时，氮化镓绿色LED光强随着电流的增加而增强，当电流大于153.0 mA时，光强随着电流的增强而减弱．

点评 本题考查晶胞结构、杂化方式、结构与位置关系等，属于拼合型题目，（6）中为易错点、难点，注意利用排除法解答．