Question

2．碳單質(zhì)及其化合物有廣泛的應(yīng)用．

（1）碳的同素異性體金剛石、石墨和C₆₀晶體中，能溶于有機(jī)溶劑的是C₆₀，原因是C₆₀是分子晶體．
（2）CH₃COCH=CHCH₃分子中，C原子所采取的雜化類型有sp³、sp²．
（3）石墨晶體由層狀石墨“分子”按ABAB方式堆積而成，如圖1所示，圖中用虛線標(biāo)出了石墨的一個(gè)六方晶胞．該晶胞中含有的碳原子數(shù)為4個(gè)．
（4）石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的平面結(jié)構(gòu)新型碳材料，如圖2所示．1mol石墨烯中含有的六元環(huán)個(gè)數(shù)為0.5N_A，下列有關(guān)石墨烯說(shuō)法正確的是bc．
a．晶體中碳原子間全部是碳碳單鍵
b．石墨烯中所有碳原子可以處于同一個(gè)平面
c．從石墨中剝離得到石墨烯需克服分子間作用力
（5）石墨烯可轉(zhuǎn)化為C₆₀，C₆₀的結(jié)構(gòu)如圖3所示，該分子是由五邊形和六邊形構(gòu)成的球體，其中五邊形有12個(gè)，六邊形有20個(gè)．
（6）金剛石晶胞如圖4所示，則金剛石晶胞中原子的配位數(shù)為4，原子空間利用率為34.01%．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)相似相溶原理分析C₆₀易溶于有機(jī)溶劑的原因；
（2）該分子中甲基上C原子價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)是4且不含孤電子對(duì)，連接碳碳雙鍵或碳氧雙鍵的碳原子價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)是3且不含孤電子對(duì)，根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論判斷C原子雜化方式；
（3）利用均攤法確定原子個(gè)數(shù)；
（4）石墨烯中每個(gè)碳原子被3個(gè)環(huán)共用，所以每個(gè)環(huán)上有2個(gè)碳原子，據(jù)此計(jì)算六元環(huán)個(gè)數(shù)；
a．在晶體中每一個(gè)碳原子與另三個(gè)碳原子間形成兩個(gè)碳碳單鍵和一個(gè)碳碳雙鍵；
b．石墨烯中每一個(gè)碳原子與另三個(gè)碳原子間形成兩個(gè)碳碳單鍵和一個(gè)碳碳雙鍵，所有碳原子可以處于同一個(gè)平面；
c．石墨中層與層之間存在分子間作用力；
（5）每個(gè)碳原子被3個(gè)環(huán)共用，則每個(gè)六元環(huán)中含有2個(gè)C原子，每個(gè)五元環(huán)中含有$\frac{5}{3}$個(gè)原子，據(jù)此計(jì)算六元環(huán)個(gè)數(shù)；
（6）金剛石晶胞中每個(gè)C原子和四個(gè)C原子形成共價(jià)鍵，所以C原子的配位數(shù)是4，該晶胞中C原子個(gè)數(shù)為4+6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=8，設(shè)原子半徑為xcm，兩個(gè)原子中心的距離為晶胞體對(duì)角線的$\frac{1}{4}$，所以其體對(duì)角線距離為8xcm，則晶胞邊長(zhǎng)=$\sqrt{\frac{64}{3}}$xcm，晶胞體積=（$\sqrt{\frac{64}{3}}$xcm）³，該晶胞中總的C原子體積=8×$\frac{4}{3}$πx³cm³．

解答 解：（1）根據(jù)相似相溶原理，C₆₀易溶于有機(jī)溶劑，有機(jī)溶劑為分子晶體，則C₆₀為分子晶體，故答案為：C₆₀；
C₆₀為分子晶體；
（2）該分子中甲基上C原子價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)是4且不含孤電子對(duì)，連接碳碳雙鍵或碳氧雙鍵的碳原子價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)是3且不含孤電子對(duì)，根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論判斷C原子雜化方式為sp³、sp²，故答案為：sp³、sp²；
（3）其結(jié)構(gòu)為，該晶胞中C原子個(gè)數(shù)=8×$\frac{1}{8}$+4×$\frac{1}{4}$+1+2×$\frac{1}{2}$=4，
故答案為：4；
（4）石墨烯中每個(gè)碳原子被3個(gè)環(huán)共用，所以每個(gè)環(huán)上有2個(gè)碳原子，六元環(huán)個(gè)數(shù)=$\frac{1}{2}$mol×N_A/mol=0.5N_A；
a．在晶體中每一個(gè)碳原子與另三個(gè)碳原子間形成兩個(gè)碳碳單鍵和一個(gè)碳碳雙鍵，故錯(cuò)誤；
b．石墨烯中每一個(gè)碳原子與另三個(gè)碳原子間形成兩個(gè)碳碳單鍵和一個(gè)碳碳雙鍵，所有碳原子可以處于同一個(gè)平面
，故正確；
c．石墨中層與層之間存在分子間作用力，所以從石墨中剝離得到石墨烯需克服分子間作用力，故正確；
故選bc；
（5）每個(gè)碳原子被3個(gè)環(huán)共用，則每個(gè)六元環(huán)中含有2個(gè)C原子，每個(gè)五元環(huán)中含有$\frac{5}{3}$個(gè)原子，六元環(huán)個(gè)數(shù)=$\frac{60-12×\frac{5}{3}}{2}$=20，
故答案為：20；
（6）根據(jù)圖知，金剛石晶胞中每個(gè)C原子和四個(gè)C原子形成共價(jià)鍵，所以C原子的配位數(shù)是4，該晶胞中C原子個(gè)數(shù)為4+6×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$=8，設(shè)原子半徑為xcm，兩個(gè)原子中心的距離為晶胞體對(duì)角線的$\frac{1}{4}$，所以其體對(duì)角線距離為8xcm，則晶胞邊長(zhǎng)=$\sqrt{\frac{64}{3}}$xcm，晶胞體積=（$\sqrt{\frac{64}{3}}$xcm）³，該晶胞中總的C原子體積=8×$\frac{4}{3}$πx³cm³，其空間利用率=$\frac{8×\frac{4}{3}×π×{x}^{3}c{m}^{3}}{（\sqrt{\frac{64}{3}}xcm）^{3}}×100%$=34.01%，
故答案為：4；34.01%．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算及空間想象能力，涉及晶胞計(jì)算、原子雜化類型判斷等知識(shí)點(diǎn)，難點(diǎn)是（3）（6）題的計(jì)算，知道晶胞空間利用率的計(jì)算方法，題目難度中等．