Question

14．碳及化合物與人類的關(guān)系非常密切，對(duì)碳單質(zhì)及其化合物的研究具有重要意義．
（1）金剛石的晶胞結(jié)構(gòu)如圖1．
①金剛石中碳原子的雜化方式為sp³．
②若金剛石晶胞中立方體的長(zhǎng)為apm，阿伏伽德羅常數(shù)為N_Amol^-1，則金剛石的密度為$\frac{96}{{a}^{3×}1{0}^{-30}×N{\;}_{A}}$g•cm^-3．（用含a、N_A的代數(shù)式表示）
（2）C₆₀的發(fā)現(xiàn)使人類了解到一個(gè)全新的碳世界．C₆₀的結(jié)構(gòu)如圖2所示．
①C₆₀晶體易溶于苯、CS₂、C₆₀屬于分子晶體（填“原子”、“離子”或“分子”）．
②1mol的C₆₀中，含有的σ鍵的數(shù)目為90N_A．
（3）科學(xué)家研究表明，銅錳氧化物（CuMn₂O₄）能在常溫下催化氧化空氣中的CO和甲醛（HCHO），CO被氧化成CO₂，HCHO被氧化成CO₂和H₂O．
①CO和N₂互為等電子體，則CO的結(jié)構(gòu)式為C≡O(shè)．
②甲醛分子中σ鍵和π鍵的個(gè)數(shù)比為3：1；甲醛和甲醇的相對(duì)分子質(zhì)量接近，但甲醇的沸點(diǎn)（64.5℃）遠(yuǎn)高與甲醛（-21℃），其原因是甲醇分子之間可以形成氫鍵．
③在銅離子（Cu²⁺）中，電子占據(jù)的最高能層符號(hào)為M，該能層具有的原子軌道數(shù)為9．
④錳原子的基態(tài)電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²．
（4）在440℃和800atm的條件下，金屬鈉能將CO₂還原為金剛石，同時(shí)生成一種鹽，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為4Na+3CO₂ 2Na₂CO₃+C；CO₃^2-的空間構(gòu)型為平面正三角形（用文字描述）．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論確定其雜化類型；
②先利用均攤法計(jì)算該晶胞中C原子的數(shù)目，再根據(jù)ρ=$\frac{m}{V}$來計(jì)算；
（2）①根據(jù)相似相溶原理確定分子的極性；
②利用均攤法計(jì)算；
（3）①根據(jù)N₂與CO為等電子體，結(jié)合等電子體結(jié)構(gòu)相似判斷；
②根據(jù)甲醛的結(jié)構(gòu)式進(jìn)行判斷，單鍵為σ鍵，雙鍵中具有1個(gè)σ鍵、1個(gè)π鍵；分子間存在著氫鍵，熔、沸點(diǎn)升高；
③根據(jù)Cu的電子排布式書寫Cu²⁺離子的電子排布式，判斷其最高能層和該能層下的原子軌道數(shù)；
④根據(jù)元素符號(hào)，判斷元素原子的核外電子數(shù)，再根據(jù)核外電子排布規(guī)律來寫；
（4）根據(jù)題意，以二氧化碳和金屬鈉作原料，在440℃和800atm的條件下，成功合成了金剛石，同時(shí)生成碳酸鈉，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式即可；根據(jù)價(jià)電子對(duì)互斥理論確定微粒的空間構(gòu)型和原子的雜化方式，價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)=σ鍵個(gè)數(shù)+孤電子對(duì)個(gè)數(shù)；

解答 解：（1）金剛石中每個(gè)碳原子和4個(gè)碳原子以σ鍵相結(jié)合，且沒有孤對(duì)電子，所以每個(gè)碳原子的價(jià)層電子對(duì)是4，則碳原子采取sp³雜化；
故答案為：sp³；
②該晶胞中C為8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，該晶胞中立方體的長(zhǎng)為apm，則體積為a³×10^-30cm³，金剛石的密度為=$\frac{\frac{12}{{N}_{A}}×8}{{a}^{3}×10{\;}^{-30}}$g•cm^-3=$\frac{96}{{a}^{3×}1{0}^{-30}×N{\;}_{A}}$g•cm^-3
故答案為：$\frac{96}{{a}^{3×}1{0}^{-30}×N{\;}_{A}}$；
（2）①苯、CS₂都是非極性分子，根據(jù)相似相溶原理知，C₆₀是非極性分子，屬于分子晶體；
故答案為：分子；
②利用均攤法知，每個(gè)碳原子含有$\frac{1}{2}$×3=$\frac{3}{2}$個(gè)σ 鍵，所以1mol C₆₀分子中，含有σ 鍵數(shù)目=$\frac{3}{2}$×1mol×60×N_A/mol=90N_A；
故答案為：90N_A；
（3）①N₂與CO為等電子體，二者結(jié)構(gòu)相似，N₂的結(jié)構(gòu)為N≡N，則CO的結(jié)構(gòu)為C≡O(shè)；
故答案為：C≡O(shè)；
②甲醛的結(jié)構(gòu)式為，分子中含有2個(gè)C-H鍵、1個(gè)C=O鍵，單鍵為σ鍵，雙鍵中具有1個(gè)σ鍵、1π鍵，故分子中σ鍵和π鍵數(shù)目比為3：1；
甲醇分子間存在著氫鍵，沸點(diǎn)升高，甲醛分子間沒有氫鍵；
故答案為：3：1；甲醇分子之間可以形成氫鍵；
③Cu²⁺的質(zhì)子數(shù)為29，原子核外電子數(shù)為28，故電子排布式是為：[Ar]3d⁹或1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁹，最高能層為M層，該能層下含有1個(gè)3s軌道、3個(gè)3p軌道和5個(gè)3d軌道，共有9個(gè)原子軌道；
故答案為：M；9；
④錳元素為25號(hào)元素，原子核外有25個(gè)電子，所以核外電子排布式為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²；
答案為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²；
（4）以二氧化碳和金屬鈉作原料，在440℃和800atm的條件下，成功合成了金剛石，同時(shí)生成碳酸鈉，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4Na+3CO₂ 2Na₂CO₃+C；CO₃^2-中C原子的價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)=σ鍵個(gè)數(shù)+孤電子對(duì)個(gè)數(shù)=3+$\frac{1}{2}$（4+2-3×2）=3，雜化軌道數(shù)3，采用原子雜化方式是sp²，為平面三角形結(jié)構(gòu)，
故答案為：4Na+3CO₂ 2Na₂CO₃+C；平面正三角形．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，涉及核外電子排布、雜化方式的判斷以及晶胞計(jì)算等知識(shí)點(diǎn)，熟練掌握基礎(chǔ)知識(shí)并靈活運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)解答問題是解本題關(guān)鍵，題目難度中等．