Question

14．石墨、富勒烯C₆₀、和金剛石的結構模型如圖所示（石墨僅表示出其中的一層結構）：


（1）石墨層狀結構中，層與層之間作用力為范德華力，片層中平均每個六元環(huán)含碳原子數為2個；在層狀結構中，平均每個六棱柱含碳原子數2個．正硼酸（H₃BO₃）是一種片層狀結構白色晶體，有與石墨相似的層狀結構．層內的H₃BO₃分子通過氫鍵相連（如圖）．分子中B原子雜化軌道的類型為sp²，1mol H₃BO₃的晶體中有3mol氫鍵

（2）由金剛石晶胞可知，每個金剛石晶胞占有8個碳原子．碳原子雜化類型為sp³，在該晶體1mol碳平均可形成2molC-C鍵，砷化鎵是人工合成的新型半導體材料，其晶體結構與金剛石相似，GaAs晶體中，每個As與4個Ga相連，且第一電離能As＞Ga（填“＞”、“＜”或“=”）
（3）C₆₀屬于分子 （填“原子”或“分子”）晶體．晶體結構中，C₆₀分子中每個碳原子只跟相鄰的3個碳原子形成化學鍵，1mol C₆₀分子中σ鍵的數目為90N_A，科學家把C₆₀和M摻雜在一起制造出的化合物具有超導性能，其晶胞如圖所示．M位于晶胞的棱和內部，該化合物中的M原子和C₆₀分子的個數比為3：1．

Answer 1

分析 （1）石墨層狀結構中，層與層之間作用力為范德華力，片層中平均每個六元環(huán)含碳原子數=$\frac{1}{3}$×6；
在層狀結構中，平均每個六棱柱含碳原子數=12×$\frac{1}{6}$；
根據圖知，正硼酸（H₃BO₃）中每個B原子連接3個O原子且不含孤電子對，據此確定B原子雜化方式；
1個正硼酸分子能形成3個氫鍵，據此計算1mol H₃BO₃的晶體中氫鍵物質的量；
（2）金剛石晶胞中C原子個數=4+8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$；每個C原子形成四個共價鍵，且不含孤電子對，則C原子為sp³雜化；金剛石中每個C原子形成碳碳鍵個數=4×$\frac{1}{2}$=2；GaAs晶體結構和金剛石相似，所以GaAs中，每個As與4個Ga相連，同一周期元素，元素第一電離能隨著原子序數增大而呈增大趨勢，但第IIA、第VA族元素第一電離能大于其相鄰元素；
（3）由分子構成的晶體是分子晶體；C₆₀分子中每個碳原子只跟相鄰的3個碳原子形成化學鍵，每個C原子含有1.5個σ鍵；
該晶胞中M原子個數=8+1+12×$\frac{1}{4}$=12，C₆₀分子個數=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，所以M和C₆₀個數之比=12：4=3：1．

解答 解：（1）石墨層狀結構中，層與層之間作用力為范德華力，片層中平均每個六元環(huán)含碳原子數=$\frac{1}{3}$×6=2；
在層狀結構中，平均每個六棱柱含碳原子數=12×$\frac{1}{6}$=2；
根據圖知，正硼酸（H₃BO₃）中每個B原子連接3個O原子且不含孤電子對，據此確定B原子雜化方式為sp²；
1個正硼酸分子能形成3個氫鍵，則1mol H₃BO₃的晶體中氫鍵物質的量是3mol；
故答案為：范德華力；2；2；sp²；3；
（2）金剛石晶胞中C原子個數=4+8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=8；每個C原子形成四個共價鍵，且不含孤電子對，則C原子為sp³雜化；金剛石中每個C原子形成碳碳鍵個數=4×$\frac{1}{2}$=2；GaAs晶體結構和金剛石相似，所以GaAs中，每個As與4個Ga相連，同一周期元素，元素第一電離能隨著原子序數增大而呈增大趨勢，但第IIA、第VA族元素第一電離能大于其相鄰元素，所以第一電離能As＞Ga；
故答案為：8；sp³；2；4；＞；
（3）由分子構成的晶體是分子晶體；C₆₀分子中每個碳原子只跟相鄰的3個碳原子形成化學鍵，每個C原子含有1.5個σ鍵，1mol C₆₀分子中σ鍵的數目為90N_A；
該晶胞中M原子個數=8+1+12×$\frac{1}{4}$=12，C₆₀分子個數=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，所以M和C₆₀個數之比=12：4=3：1．
故答案為：分子；90N_A；3：1．

點評 本題考查物質結構和性質，為高頻考點，涉及晶胞計算、原子雜化方式判斷、電離能大小判斷等知識點，難點是晶胞計算，注意（3）中原子個數計算，同時考查空間想象能力，題目難度中等．