Question

1．碳元素在生產(chǎn)生活中具有非常重要的作用，在新物質(zhì)的制備中也發(fā)揮了舉足輕重的作用．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：

（1）與碳同周期，且基態(tài)原子的核外未成對電子數(shù)與碳相等的元素，其基態(tài)原子的電子排布式為1s²2s²2p⁴．
（2）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．
（3）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．常溫條件下丙烯是氣態(tài)，而相對分子質(zhì)量比丙烯小的甲醇，常溫條件下卻呈液態(tài)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是甲醇分子間存在氫鍵，而丙烯分子間只有范德華力．
（4）C₆₀屬于分子晶體，C₆₀晶體內(nèi)含有的微粒間作用有范德華力、共價鍵．
（5）金剛石晶胞含有8個碳原子．若碳原子半徑為r，金剛石晶胞的邊長為a，根據(jù)硬球接觸模型，則r=$\frac{\sqrt{3}}{8}$a，列式表示碳原子在晶胞中的空間占有率$\frac{\sqrt{3}π}{16}$（不要求計算結(jié)果）．

Answer 1

分析 （1）與碳同周期，且基態(tài)原子的核外未成對電子數(shù)與碳相等的元素應(yīng)為O元素，基態(tài)原子的核外未成對電子數(shù)都是2；
（2）金剛石、石墨、C₆₀、碳納米管等都是碳元素組成的不同單質(zhì)，符合同素異形體的概念；
（3）金剛石中碳原子周圍有四個共價鍵，而石墨烯中碳原子周圍有三個共價鍵，據(jù)此判斷碳原子的雜化方式，甲醇分子之間存在氫鍵，根據(jù)氫鍵對物質(zhì)的性質(zhì)的影響答題；
（4）根據(jù)C₆₀的晶胞結(jié)構(gòu)圖可知，C₆₀屬于分子晶體，微粒之間的作用力為分子間作用力；
（5）利用均攤法計算出每個晶胞中含有的碳原子數(shù)，再根據(jù)碳原子的空間利用率為：$\frac{碳原子總體積}{晶胞體積}$計算；

解答 解：（1）與碳同周期，且基態(tài)原子的核外未成對電子數(shù)與碳相等的元素應(yīng)為O元素，基態(tài)原子的核外未成對電子數(shù)都是2，O原子的核外電子排布式為1s²2s²2p⁴，
故答案為：1s²2s²2p⁴；
（2）金剛石、石墨、C₆₀、碳納米管等都是碳元素組成的不同單質(zhì)，它們互為同素異形體，
故答案為：同素異形體；
（3）金剛石中碳原子周圍有四個共價鍵，碳原子的雜化方式為sp³，而石墨烯中碳原子周圍有三個共價鍵，碳原子的雜化方式為sp²，甲醇分子間存在氫鍵，而丙烯分子間只有范德華力，所以甲醇沸點(diǎn)比丙烯高，
故答案為：sp³；sp²；甲醇分子間存在氫鍵，而丙烯分子間只有范德華力；
（4）根據(jù)C₆₀的晶胞結(jié)構(gòu)圖可知，C₆₀屬于分子晶體，C₆₀分子之間的作用力為分子間作用力即范德華力，C₆₀分子內(nèi)碳原子之間為共價鍵，
故答案為：分子； 范德華力、共價鍵；
（5）根據(jù)金剛石晶胞結(jié)構(gòu)圖可知，金剛石晶胞中含有的碳原子數(shù)為$8×\frac{1}{8}+6×\frac{1}{2}+4$=8，所以共含有8個碳原子；晶胞內(nèi)含有四個碳原子，則晶胞體對角線長度與四個碳原子直徑相同，即$\sqrt{3}$a=8r，r=$\frac{\sqrt{3}}{8}$a；碳原子的體積為：$8×\frac{4}{3}π{r}^{3}$，晶胞體積為：a³，碳原子的空間利用率為：$\frac{碳原子總體積}{晶胞體積}$=$\frac{8×\frac{4}{3}π{r}^{3}}{{a}^{3}}$=$\frac{\sqrt{3}π}{16}$，
故答案為：8；　$\frac{\sqrt{3}}{8}$；　$\frac{\sqrt{3}π}{16}$．

點(diǎn)評 本題主要考查晶胞結(jié)構(gòu)與計算，晶胞結(jié)構(gòu)對學(xué)生的空間想象有一定的要求，尤其是第（5），注意利用均攤法進(jìn)行計算，難度中等．