Question

4．碳元素的單質(zhì)有多種形式，如圖依次是C₆₀、石墨和金剛石的結(jié)構(gòu)圖：
回答下列問(wèn)題：
（1）金剛石、石墨、C₆₀，碳納米管等都是碳元素的單質(zhì)形式，它們互為同素異形體．
（2）金剛石、石墨烯（指單層石墨）中碳原子的雜化形式分別為sp³、sp²．
（3）C₆₀屬于分子晶體，石墨屬于混合晶體．
（4）石墨晶體中，層內(nèi)C-C鍵的鍵長(zhǎng)為142pm，而金剛石中C-C鍵的鍵長(zhǎng)為154pm．其原因是金剛石中只存在C-C間的σ共價(jià)鍵，而石墨層內(nèi)的C-C間不僅存在σ共價(jià)鍵，還有π鍵．
（5）金剛石晶胞含有8個(gè)碳原子．若碳原子半徑為r，金剛石晶胞的邊長(zhǎng)為a，根據(jù)硬球接觸模型，則r=$\frac{\sqrt{3}}{8}$a．

Answer 1

分析 （1）由同種元素組成的不同單質(zhì)互稱(chēng)同素異形體；
（2）根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互稱(chēng)理論確定原子雜化類(lèi)型；
（3）分子晶體的構(gòu)成微粒是分子，原子晶體的構(gòu)成微粒是原子；
（4）共價(jià)單鍵為σ鍵，共價(jià)雙鍵中含有σ鍵和π鍵；
（5）金剛石晶胞中碳原子個(gè)數(shù)=4+8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$；根據(jù)硬球接觸模型，正方體對(duì)角線的$\frac{1}{4}$就是C-C鍵的鍵長(zhǎng)，據(jù)此計(jì)算原子半徑．

解答 解：（1）由同種元素組成的不同單質(zhì)互稱(chēng)同素異形體，這幾種物質(zhì)都是碳元素的不同單質(zhì)，屬于同素異形體，故答案為：同素異形體；
（2）金剛石中每個(gè)碳原子價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)是4，所以C原子雜化方式為sp³，石墨烯中每個(gè)碳原子價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)是3，所以碳原子雜化方式為sp²，
故答案為：sp³；sp²；
（3）C₆₀的構(gòu)成微粒是分子，所以屬于分子晶體；石墨的構(gòu)成微粒是原子，且層與層之間存在分子間作用力，所以石墨屬于混合型晶體，
故答案為：分子；混合；
（4）共價(jià)單鍵為σ鍵，共價(jià)雙鍵中含有σ鍵和π鍵，金剛石中碳原子之間只存在σ鍵，石墨中碳原子之間存在
σ鍵和π鍵，
故答案為：σ；σ和π；
（5）金剛石晶胞中碳原子個(gè)數(shù)=4+8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=8；根據(jù)硬球接觸模型，正方體對(duì)角線的$\frac{1}{4}$就是C-C鍵的鍵長(zhǎng)，晶胞正方體對(duì)角線長(zhǎng)度=$\sqrt{3}$a，所以$\frac{1}{4}$$\sqrt{3}$a=2r，所以r=$\frac{\sqrt{3}}{8}$a，
故答案為：$\frac{\sqrt{3}}{8}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查晶胞計(jì)算、原子雜化、晶體類(lèi)型判斷等知識(shí)點(diǎn)，側(cè)重考查分析判斷及計(jì)算能力，難點(diǎn)是晶胞計(jì)算，明確金剛石中C-C鍵鍵長(zhǎng)與棱長(zhǎng)關(guān)系是解（4）題關(guān)鍵，題目難度中等．