Question

【題目】碳、硅兩元素廣泛存在于自然界中．請(qǐng)回答下列問題：

（1）基態(tài)14C原子的核外存在________對(duì)自旋方向相反的電子，硅原子的電子排布式為__________。

（2）晶體硅的結(jié)構(gòu)與全剛石非常相似。晶體硅硅中硅原子的雜化方式為_______雜化；金剛石、晶體硅和金剛砂（碳化硅）的熔點(diǎn)由高到低的順序?yàn)?/span>_____________。

（3）科學(xué)研究結(jié)果表明，碳的氧化物CO2能夠與H2O借助子太陽能制備HCOOH。其反應(yīng)原理如下：2CO2+2H2O=2HCOOH+O2，則生成的HCOOH分子中δ鍵和π鍵的個(gè)數(shù)比是_______。

（4）碳單質(zhì)有多種形式，其中C60、石墨烯與金剛石晶體結(jié)構(gòu)如圖所示：

①C60、石墨烯與金剛石互為_________。

②C60形成的晶體是分子晶體，C60分子中含有12個(gè)五邊形和20個(gè)六邊形，碳與碳之間既有單鍵又有雙鍵，已知C60分子所含的雙鍵數(shù)為30，則C60分子中_______個(gè)C—C 鍵（多面體的頂點(diǎn)數(shù)、面數(shù)和棱邊數(shù)的關(guān)系，遵循歐拉定理：頂點(diǎn)數(shù)+面數(shù)-棱邊數(shù)=2）。在石墨烯晶體中，每個(gè)C原子連接______個(gè)六元環(huán)；在金剛石晶體中，每個(gè)C原子連接的最小環(huán)也為六元環(huán)，六元環(huán)屮最多有_______個(gè)C原子在同一平面。

③金剛石晶胞含有______個(gè)碳原子。若碳原子的半徑為r，金剛石晶胞的邊長(zhǎng)為a，根據(jù)硬球接觸模型，則r=______a，列式表示碳原子在晶胞中的空間占有率為_______（不要求計(jì)算結(jié)果）。

Answer 1

【答案】 2 1s22s22p63s23p2 sp3 金剛石>金剛砂>晶體硅 4∶1 同素異形體 60 3 4 8

【解析】（1）基態(tài)14C原子的核外電子數(shù)是6，核外電子排布式是1s22s22p2，因此存在2對(duì)自旋方向相反的電子，硅原子的核外電子數(shù)是14，其電子排布式為1s22s22p63s23p2；（2）晶體硅的結(jié)構(gòu)與金剛石非常相似，金剛石是正四面體結(jié)構(gòu)，則晶體硅中硅原子的雜化方式為sp3雜化；金剛石、晶體硅和金剛砂（碳化硅）均是原子晶體，原子半徑是C＜Si，組成原子晶體中共價(jià)鍵的鍵長(zhǎng)越長(zhǎng)，鍵能越大，晶體的熔點(diǎn)越高，所熔點(diǎn)由高到低的順序?yàn)榻饎偸?/span>>金剛砂>晶體硅；（3）科學(xué)研究結(jié)果表明，碳的氧化物CO2能夠與H2O借助子太陽能制備HCOOH。其反應(yīng)原理如下：2CO2+2H2O=2HCOOH+O2，

單鍵都是δ鍵，雙鍵中含有1個(gè)δ鍵和1個(gè)π鍵，根據(jù)根據(jù)甲酸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式HCOOH可知甲酸分子中δ鍵和π鍵的個(gè)數(shù)比是4∶1；（4）①C60、石墨烯與金剛石均是碳元素形成的單質(zhì)，三者互為同素異形體；②由歐拉定理計(jì)算鍵數(shù)（即棱邊數(shù)）：60+（12+20）-2=90，該分子中含雙鍵30個(gè)，所以單鍵數(shù)為：90-30=60；在石墨烯晶體中，每個(gè)C原子連接3個(gè)六元環(huán)；金剛石晶胞是立方體，因此六元環(huán)屮最多有4個(gè)C原子在同一平面；③晶胞中頂點(diǎn)微粒數(shù)為：8×1/8=1，面心微粒數(shù)為：6×1/2=3，體內(nèi)微粒數(shù)為4，共含有8個(gè)碳原子；晶胞內(nèi)含有四個(gè)碳原子，則晶胞體對(duì)角線長(zhǎng)度與四個(gè)碳原子直徑相同，即，r=；碳原子的體積為：8×4/3×π×r3，晶胞體積為：a3，碳原子的空間利用率為：碳原子總體積/晶胞體積= 。