Question

10．碳元素不僅能形成豐富多彩的有機(jī)化合物，而且還能形成多種無機(jī)化合物，同時自身可以形成多種單質(zhì)，碳及其化合物的用途廣泛．
（1）C₆₀分子中每個原子接2個單鍵和1個雙鍵，它與F₂發(fā)生加成反應(yīng)，其加成產(chǎn)物的分子式為C₆₀F₆₀；
（2）干冰和冰是兩種常見的分子晶體，下列關(guān)于兩種晶體的比較中正確的是ac．
a．晶體的密度：干冰＞冰            b．晶體的熔點(diǎn)：干冰＞冰
c．晶體中的空間利用率：干冰＞冰    d．晶體中分子間相互作用力類型相同
（3）金剛石和石墨是碳元素形成的兩種常見單質(zhì)，下列關(guān)于這兩種單質(zhì)的敘述中正確的有ae．
a．金剛石中碳原子的雜化類型為sp³雜化，石墨中碳原子的雜化類型為sp²雜化；
b．晶體中共價鍵的鍵長：金剛石中C-C＜石墨中C-C；
c．晶體的熔點(diǎn)：金剛石＞石墨
d．晶體中共價鍵的鍵角：金剛石＞石墨
e．金剛石晶體中只存在共價鍵，石墨晶體中則存在共價鍵、金屬鍵和范德華力
f．金剛石和石墨的熔點(diǎn)都很高，所以金剛石和石墨都是原子晶體
（4）金剛石晶胞結(jié)構(gòu)如圖，立方BN結(jié)構(gòu)與金剛石相似，在BN晶體中，B原子周圍最近的N原子所構(gòu)成的立體圖形為正四面體，B原子與N原子之間共價鍵與配價鍵的數(shù)目比為3：1，一個晶胞中N 原子數(shù)目為4．
（5）炭與孔雀石共熱可以得到金屬銅，基態(tài)銅原子的電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，銅采用面心立方最密堆積，則銅的晶體中Cu 原子的配位數(shù)為12．已知銅單質(zhì)的晶體密度為pg/cm³，Cu的相對原子質(zhì)量為M，阿伏伽德羅常數(shù)N_A，則Cu的半徑為$\frac{{\sqrt{2}}}{4}×\root{3}{{\frac{4M}{{ρ{N_A}}}}}$．

Answer 1

分析 （1）C₆₀分子含有30個共價鍵，發(fā)生加成反應(yīng)時一個C₆₀分子中含有的碳碳雙鍵個數(shù)和氟氣分子個數(shù)相同，1molC₆₀分子中30mol碳碳雙鍵，所以需要30mol氟氣，根據(jù)原子守恒寫出加成產(chǎn)物的化學(xué)式；
（2）水分子間存在氫鍵，且氫鍵有方向性，導(dǎo)致水分子形成冰時存在較大的空隙，而受熱融化時氫鍵被破，干冰分子之間只存在范德華力，形成的分子晶體是密堆積；
（3）a、金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵，構(gòu)成正四面體，石墨中的碳原子與相鄰的三個碳原子以σ鍵結(jié)合，形成平面正六邊形結(jié)構(gòu)；
bc、sp²雜化中，s軌道的成分比sp³雜化更多，而且石墨的碳原子還有大π鍵所以形成的共價鍵更短，更牢固，即石墨的層內(nèi)共價鍵鍵長比金剛石的鍵長短，作用力更大，破壞化學(xué)鍵需要更大能量；
d、金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵，構(gòu)成正四面體，石墨中的碳原子用sp²雜化軌道與相鄰的三個碳原子以σ鍵結(jié)合，形成正六角形的平面層狀結(jié)構(gòu)；
e、金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵，構(gòu)成正四面體，晶體中只含有共價鍵；石墨中的碳原子用sp²雜化軌道與相鄰的三個碳原子以σ鍵結(jié)合，形成正六角形的平面層狀結(jié)構(gòu)，而每個碳原子還有一個2p軌道，其中有一個2p電子．這些p軌道又都互相平行，并垂直于碳原子sp²雜化軌道構(gòu)成的平面，形成了大π鍵．因而這些π電子可以在整個碳原子平面上活動，類似金屬鍵的性質(zhì)，石墨為層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間通過范德華力連接；
f、石墨為層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間通過范德華力連接；
（4）由金剛石的晶胞結(jié)構(gòu)可知，晶胞內(nèi)部有4個C原子，面心上有6個C原子，頂點(diǎn)有8個C原子，根據(jù)金剛石的結(jié)構(gòu)判斷，在BN晶體中，每個B原子和4個N原子形成共價鍵，所以B原子周圍最近的N原子所構(gòu)成的立體圖形為正四面體；B原子的配位數(shù)是4，B原子與N原子之間共價鍵的數(shù)目是12，一個晶胞中N原子數(shù)目為4；
（5）Cu元素為29號元素，原子核外有29個電子，所以核外電子排布式為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹；金屬銅采用面心立方最密堆積；以晶胞頂點(diǎn)上的銅原子為例，與之距離最近的銅原子分布在經(jīng)過該原子的12個面的面心上，距離為面對角線的一半，所以銅原子的配位數(shù)為12；晶胞內(nèi)Cu原子數(shù)目為8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，令銅原子的比較為rcm，則晶胞的棱長為 $\frac{\sqrt{2}}{2}$×4rcm=2$\sqrt{2}$rcm，所以（2$\sqrt{2}$r）³×ρ=$\frac{4M}{{N}_{A}}$，據(jù)此計(jì)算銅原子半徑．

解答 解：（1）C₆₀分子含有30個共價鍵，發(fā)生加成反應(yīng)時一個C₆₀分子中含有的碳碳雙鍵個數(shù)和氟氣分子個數(shù)相同，1molC₆₀分子中30mol碳碳雙鍵，所以需要30mol氟氣，所以其加成產(chǎn)物的化學(xué)式為：C₆₀F₆₀；
故答案為：C₆₀F₆₀；
（2）a、水分子間存在氫鍵，且氫鍵有方向性，導(dǎo)致水分子形成冰時存在較大的空隙，密度比水小，干冰分子之間只存在范德華力，形成的分子晶體是密堆積，密度比水大，故a正確；
b、冰融化時氫鍵被破，干冰分子之間只存在范德華力，融化時破壞范德華力，氫鍵比范德華力強(qiáng)，故晶體的熔點(diǎn)冰＞干冰，故b錯誤；
c、水分子間存在氫鍵，且氫鍵有方向性，導(dǎo)致水分子形成冰時存在較大的空隙，干冰分子之間只存在范德華力，形成的分子晶體是密堆積，晶體中的空間利用率：干冰＞冰，故c正確；
d、干冰分子之間存在范德華力，水分子間存在氫鍵，晶體中分子間相互作用力類型不相同，故d錯誤．
故選：ac；
（3）a、金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵，構(gòu)成正四面體，碳原子的雜化類型為sp³雜化；石墨中的碳原子與相鄰的三個碳原子以σ鍵結(jié)合，形成平面正六邊形結(jié)構(gòu)，碳原子的雜化類型為sp²雜化，故a正確；
b、sp²雜化中，s軌道的成分比sp³雜化更多，而且石墨的碳原子還有大π鍵所以形成的共價鍵更短，更牢固，即石墨的層內(nèi)共價鍵鍵長比金剛石的鍵長短，故b錯誤；
c、石墨的層內(nèi)共價鍵鍵長比金剛石的鍵長短，作用力更大，破壞化學(xué)鍵需要更大能量，所以晶體的熔點(diǎn)金剛石＜石墨，故c錯誤；
d、金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵，構(gòu)成正四面體，鍵角為109°28′，石墨中的碳原子用sp²雜化軌道與相鄰的三個碳原子以σ鍵結(jié)合，形成正六角形的平面層狀結(jié)構(gòu)，鍵角為120°，故d錯誤；
e、金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵，構(gòu)成正四面體，石墨中的碳原子用sp²雜化軌道與相鄰的三個碳原子以σ鍵結(jié)合，形成正六角形的平面層狀結(jié)構(gòu)，而每個碳原子還有一個2p軌道，其中有一個2p電子．這些p軌道又都互相平行，并垂直于碳原子sp²雜化軌道構(gòu)成的平面，形成了大π鍵．因而這些π電子可以在整個碳原子平面上活動，類似金屬鍵的性質(zhì)，石墨為層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間通過范德華力連接，說明晶體中含有共價鍵、金屬鍵、范德華力，故e正確；
f、金剛石是原子晶體，石墨為層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間通過范德華力連接，石墨為混合型晶體，不屬于原子晶體，故f錯誤；
故選：ae；
（4）由金剛石的晶胞結(jié)構(gòu)可知，晶胞內(nèi)部有4個C原子，面心上有6個C原子，頂點(diǎn)有8個C原子，在BN晶體中，每個B原子和4個N原子形成共價鍵，所以B原子周圍最近的N原子所構(gòu)成的立體圖形為正四面體；B原子的配位數(shù)是4，B原子與N原子之間共價鍵的數(shù)目是12，所以B原子與N原子之間共價鍵的數(shù)目與配位鍵的數(shù)目比為 3：1，一個晶胞中N原子數(shù)目為 4，
故答案為：正四面體；3：1；4；
（5）Cu元素為29號元素，原子核外有29個電子，所以核外電子排布式為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹；金屬銅采用面心立方最密堆積；以晶胞頂點(diǎn)上的銅原子為例，與之距離最近的銅原子分布在經(jīng)過該原子的12個面的面心上，距離為面對角線的一半，所以銅原子的配位數(shù)為12；Cu原子數(shù)目為8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，令銅原子的比較為rcm，則晶胞的棱長為 $\frac{\sqrt{2}}{2}$×4rcm=2$\sqrt{2}$rcm，所以（2$\sqrt{2}$r）³×ρ=$\frac{4M}{{N}_{A}}$，r=$\frac{\sqrt{2}}{4}$×$\root{3}{\frac{4M}{ρ{N}_{A}}}$cm，
故答案為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹；面心立方最密；12；$\frac{{\sqrt{2}}}{4}×\root{3}{{\frac{4M}{{ρ{N_A}}}}}$cm．

點(diǎn)評 本題考查晶體類型與熔沸點(diǎn)高低判斷、晶體結(jié)構(gòu)、對晶胞的理解與計(jì)算等，難度較大，對晶胞的計(jì)算注意均攤法的利用，需要學(xué)生具備空間想象能力，注意基礎(chǔ)知識的理解掌握．