Question

(共10分)  長期以來人們一直認(rèn)為金剛石是最硬的物質(zhì)，但這種神話現(xiàn)在正在被打破。1990年美國伯克利大學(xué)的A．Y．Liu和M．L．Cohen在國際著名期刊上發(fā)表論文，在理論上預(yù)言了一種自然界并不存在的物質(zhì)β－C₃N₄，理論計(jì)算表明，這種C₃N₄物質(zhì)比金剛石的硬度還大，不僅如此，這種物質(zhì)還可用作藍(lán)紫激光材料，并有可能是一種性能優(yōu)異的非線性光學(xué)材料。這篇論文發(fā)表以后，在世界科學(xué)領(lǐng)域引起了很大的轟動，并引發(fā)了材料界爭相合成β－C₃N₄的熱潮，雖然大塊的β－C₃N₄晶體至今尚未合成出來，但含有β－C₃N₄晶粒的薄膜材料已經(jīng)制備成功并驗(yàn)證了理論預(yù)測的正確性，這比材料本身更具重大意義。其晶體結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。

 

(1) 請分析β－C₃N₄晶體中，C原子和N原子的雜化類型以及它們在晶體中的成鍵情況：

                                                                           ；

(2) 請?jiān)趫D1中畫出β－C₃N₄的一個(gè)結(jié)構(gòu)基元，該結(jié)構(gòu)基元包括    個(gè)碳原子和    個(gè)氮原子；

(3) 實(shí)驗(yàn)測試表明，β－C₃N₄晶體屬于六方晶系，晶胞結(jié)構(gòu)見圖2(圖示原子都包含在晶胞內(nèi))，晶胞參數(shù)a=0.64nm，c=0.24nm，請列式計(jì)算其晶體密度。

   ρ=                                                                   ；

    (4) 試簡要分析β－C₃N₄比金剛石硬度大的原因(已知金剛石的密度為3.51g?cm^－3)。

Answer 1

(1) β－C₃N₄晶體中，C原子采取sp³雜化，N原子采取sp²雜化；1個(gè)C原子與4個(gè)處于四面體頂點(diǎn)的N原子形成共價(jià)鍵，1個(gè)N原子與3個(gè)C原子在一個(gè)近似的平面上以共價(jià)鍵連接 (2分)

(2)

(3) 從圖2可以看出，一個(gè)β－C₃N₄晶胞包括6個(gè)C原子和8個(gè)N原子，其晶體密度為：

     (2分)

(4) β－C₃N₄比金剛石硬度大，主要是因?yàn)椋孩僭讦拢瑿₃N₄晶體中，C原子采取sp³雜化，N原子采取sp²雜化，C原子和N原子間形成很強(qiáng)的共價(jià)鍵；②C原子和N原子間通過共價(jià)鍵形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；③密度計(jì)算結(jié)果顯示，β－C₃N₄的密度大于金剛石，即β－C₃N₄，晶體中原子采取更緊密的堆積方式，說明原子間的共價(jià)鍵長很短而有很強(qiáng)的鍵合力(3分)