Question

固体发光材料是一种能将激发的能量转变为可见光的固体物质。在基质中掺入杂质，含量可达千分之几或百分之几，可调整发光效率、余辉及发光光谱。如在刚玉Al₂O₃基质中掺入0.05~1.0%的Cr^3＋及在Y₂O₃基质中掺入Eu^3＋等均可制成固体发光材料。
⑴推测Al₂O₃基质中掺入Cr^3＋的发光原理。
⑵Y₂O₃属立方晶系，将Y₂O₃的立方晶胞分为8个小立方体，Y在小立方体的面心和顶点，O位于小立方体内的四面体空隙，画出这样四个小立方体，指出Y和O的配位数。

Answer 1

⑴Al^3＋和O^2－是满壳层电子结构，能隙大，电子不易激发，故无色；（2分）
掺入的Cr^3＋是过渡金属，具有3d电子，在晶体中置换部分Al^3＋形成较低的激发态能级，两个强吸收带分别吸收黄绿色及蓝色的光，只有红光透过，因而掺Cr^3＋的刚玉呈绚丽的红色，称为红宝石。（3分）
⑵（4分）
Y的O的配位数为6，O的Y配位数为4。（1分）

⑴本题考察学生对主族元素、过渡金属离子构型的掌握情况。Al^3＋和O^2－是是主族元素的阳离子和阴离子，都属于8电子结构，价电子不易被激发，因此为无色。当部分Cr³⁺置换出Al³⁺后，由于Cr³⁺为d³结构，电子易被激发，只能让红光通过（红宝石的颜色），因此能发红光。
⑵由于O位于小立方体的四面体空隙，即O的配位数为4，根据化学式可知，Y的配位数为6（配位数之比与原子数成反比）。根据题意，Y为面心立方最密堆积，因此Y原子与四面体空隙数的比例为1∶2，因此O原子在四面体空隙中的占有率为3/4，根据晶胞的对称性原理，可以把晶胞划分成八个小的立方体，其中共棱的立方体是相同的，共面的立方体不同：一种小立方体中Y位于顶点和面心，O位于六个四面体的空隙；另一个共面的立方体，O也位于六个四面体空隙中，但是未占四面体空隙呈对称关系。其中四个四面体的示意图如下所示：