Question

10．碳元素是形成單質(zhì)及其化合物種類最多的元素．回答下列有關(guān)問題．

（1）碳元素可形成多種不同形式的單質(zhì)，圖1是幾種單質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖，觀察上述結(jié)構(gòu)，判斷a中碳原子的雜化方式為sp²，b對(duì)應(yīng)的物質(zhì)是金剛石，c是C₆₀的分子結(jié)構(gòu)模型，在每個(gè)C₆₀分子中形成的σ鍵數(shù)目為90．
（2）在C₆₀單質(zhì)中，微粒之間的作用力為分子間作用力，C₆₀能與金屬鉀化合生成具有超導(dǎo)性的K₃C₆₀，在K₃C₆₀中陰陽離子個(gè)數(shù)比為1：3，則K₃C₆₀屬于離子晶體．
（3）CO是碳元素的常見氧化物，分子中C原子上有一對(duì)孤對(duì)電子，與N₂互為等電子體，則CO的結(jié)構(gòu)式為C≡O(shè)；寫出另一與CO互為等電子體的化學(xué)式CN^-．
（4）CO可以和很多過渡金屬形成配合物．金屬鎳粉在CO氣流中輕微地加熱，可生成液態(tài)的Ni（CO）₄，用配位鍵表示Ni（CO）₄ 的結(jié)構(gòu)為；寫出基態(tài)Ni原子的電子排布式1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s²．
（5）科學(xué)發(fā)現(xiàn)，C和Ni、Mg元素的原子形成的晶體也具有超導(dǎo)性，其晶胞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖2，則該化合物的化學(xué)式為MgNi₃N；C、Ni、Mg三種元素中，電負(fù)性最大的是C．
（6）碳的氫化物甲烷在自然界中廣泛存在，其中可燃冰是有待人類開發(fā)的新能源．可燃冰是一種籠狀結(jié)構(gòu)，CH₄分子存在于H₂O分子形成的籠子中（如圖3所示）．兩種分子中，共價(jià)鍵的鍵能H-O鍵＞C-H鍵；CH₄分子與H₂O分子的分子量相差不大，但兩種物質(zhì)的熔沸點(diǎn)相差很大，其主要原因是H₂O分子之間形成氫鍵．

Answer 1

分析 （1）a為石墨，每個(gè)C原子價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)是3，根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論判斷C原子雜化類型，b為正四面體結(jié)構(gòu)，則對(duì)應(yīng)的物質(zhì)是金剛石，c是C₆₀的分子結(jié)構(gòu)模型，平均每個(gè)C形成1.5個(gè)σ鍵；
（2）C₆₀單質(zhì)為分子晶體，微粒之間的作用力為分子間作用力，C₆₀能與金屬鉀化合生成具有超導(dǎo)性的K₃C₆₀，在K₃C₆₀中陰陽離子個(gè)數(shù)比為1：3，則K₃C₆₀屬于離子晶體；
（3）CO分子中C原子上有一對(duì)孤對(duì)電子，C、O原子都符合8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，則C、O之間為三鍵；等電子體中原子數(shù)和價(jià)電子數(shù)都相同；
（4）根據(jù)配合物Ni（CO）₄的Ni為中心原子，CO為配體表示Ni（CO）₄ 的結(jié)構(gòu)，Ni元素是28號(hào)元素，根據(jù)核外電子排布規(guī)律書寫基態(tài)原子的電子排布式；
（5）根據(jù)均攤法計(jì)算晶胞中各原子數(shù)目，進(jìn)而確定化學(xué)式；電負(fù)性最大的即非金屬性最強(qiáng)；
（6）根據(jù)鍵長越短鍵能越大判斷；H₂O分子間形成氫鍵．

解答 解：（1）a為石墨，每個(gè)C原子價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)是3，根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論知C原子雜化類型為sp²；b為正四面體結(jié)構(gòu)，則對(duì)應(yīng)的物質(zhì)是金剛石，c是C₆₀的分子結(jié)構(gòu)模型，平均每個(gè)C形成1.5個(gè)σ鍵，所以在每個(gè)C₆₀分子中形成的σ鍵數(shù)目為60×1.5=90；
故答案為：sp²；金剛石； 90；
（2）C₆₀單質(zhì)為分子晶體，微粒之間的作用力為分子間作用力，C₆₀能與金屬鉀化合生成具有超導(dǎo)性的K₃C₆₀，在K₃C₆₀中陰陽離子個(gè)數(shù)比為1：3，則K₃C₆₀屬于離子晶體；故答案為：分子間作用力； 離子；
（3）CO分子中C原子上有一對(duì)孤對(duì)電子，C、O原子都符合8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，則CO的結(jié)構(gòu)式為C≡O(shè)，等電子體中原子數(shù)和價(jià)電子數(shù)都相同，則 N₂、CN^-、CO的原子數(shù)都是2，價(jià)電子數(shù)都是10，則互為等電子體，故答案為：C≡O(shè)；CN^-；
（4）配合物Ni（CO）₄的Ni為中心原子，CO為配體，所以表示Ni（CO）₄ 的結(jié)構(gòu)為；Ni元素是28號(hào)元素，位于第四周期第Ⅷ族，其基態(tài)原子的電子排布式1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s²，故答案為：，1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s²；

（5）晶胞中N原子數(shù)目為1、Mg原子數(shù)目為8×$\frac{1}{8}$=1、Ni原子數(shù)目為6×$\frac{1}{2}$=3，故該晶體化學(xué)式為MgNi₃N，電負(fù)性最大的即非金屬性最強(qiáng)，所以C、Ni、Mg三種元素中，電負(fù)性最大的是C，故答案為：MgNi₃N；MgCNi₃；C；
（6）因?yàn)殒I長越短鍵能越大，又O的半徑小于C，所以共價(jià)鍵的鍵能H-O鍵＞C-H鍵；又H₂O分子間形成氫鍵，所以CH₄分子與H₂O分子的分子量相差不大，但兩種物質(zhì)的熔沸點(diǎn)相差很大；故答案為：＞；H₂O分子之間形成氫鍵．

點(diǎn)評(píng) 本題是對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的考查，涉及元素周期表、晶胞計(jì)算、分子結(jié)構(gòu)、雜化軌道、配合物等，難度中等，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)．