Question

碳元素不僅能形成豐富多彩的有機(jī)化合物，而且還能形成多種無(wú)機(jī)化合物，同時(shí)自身可以形成多種單質(zhì)，碳及其化合物的用途廣泛．
（1）C₆₀分子中每個(gè)原子接2個(gè)單鍵和一個(gè)雙鍵，它與F₂發(fā)生加成反應(yīng)，其加成產(chǎn)物的分子式為

 

；C₆₀的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)似于干冰，則每個(gè)C₆₀晶胞的質(zhì)量為

 

（用含N_A的式子表示）．
（2）干冰和冰是兩種常見(jiàn)的分子晶體，下列關(guān)于兩種晶體的比較中正確的是

 

．
a．晶體的密度：干冰＞冰            b．晶體的熔點(diǎn)：干冰＞冰
c．晶體中的空間利用率：干冰＞冰     d．晶體中分子間相互作用力類(lèi)型相同
（3）金剛石和石墨是碳元素形成的兩種常見(jiàn)單質(zhì)，下列關(guān)于這兩種單質(zhì)的敘述中正確的有

 

a．金剛石中碳原子的雜化類(lèi)型為sp³雜化，石墨中碳原子的雜化類(lèi)型為sp²雜化；
b．晶體中共價(jià)鍵的鍵長(zhǎng)：金剛石中C-C＜石墨中C-C；
c．晶體的熔點(diǎn)：金剛石＞石墨     d．晶體中共價(jià)鍵的鍵角：金剛石＞石墨
e．金剛石晶體中只存在共價(jià)鍵，石墨晶體中則存在共價(jià)鍵、金屬鍵和范德華力；
f．金剛石和石墨的熔點(diǎn)都很高，所以金剛石和石墨都是原子晶體
（4）立方BN結(jié)構(gòu)與金剛石相似，晶胞結(jié)構(gòu)如圖，在BN晶體中，B原子周?chē)�最近的N原子所構(gòu)成的立體圖形為

 

，B原子與N原子之間共價(jià)鍵與配位鍵的數(shù)目比為

 

，一個(gè)晶胞中N原子數(shù)目為

 

．
（5）碳與孔雀石共熱可以得到金屬銅，銅原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖為

 

，金屬銅采用面心立方最密堆積，則Cu的晶體中Cu原子的配位數(shù)為

 

．已知Cu單質(zhì)的晶體密度為ρg?cm^-3，Cu的相對(duì)原子質(zhì)量為M，阿伏伽德羅常數(shù)N_A，則Cu的原子半徑為

 

．
（6）向Cu²⁺的溶液中加入過(guò)量NaOH溶液，可生成Cu的配位數(shù)為4的配位離子，寫(xiě)出該配位離子的結(jié)構(gòu)式

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：晶胞的計(jì)算,晶體的類(lèi)型與物質(zhì)熔點(diǎn)、硬度、導(dǎo)電性等的關(guān)系,原子軌道雜化方式及雜化類(lèi)型判斷

專(zhuān)題：化學(xué)鍵與晶體結(jié)構(gòu)

分析：（1）C₆₀分子含有30個(gè)共價(jià)鍵，發(fā)生加成反應(yīng)時(shí)一個(gè)C₆₀分子中含有的碳碳雙鍵個(gè)數(shù)和氟氣分子個(gè)數(shù)相同，1molC₆₀分子中30mol碳碳雙鍵，所以需要30mol氟氣，根據(jù)原子守恒寫(xiě)出加成產(chǎn)物的化學(xué)式；C₆₀晶體為面心立方排布，所以每個(gè)C₆₀晶胞有4個(gè)C₆₀分子 （面心3個(gè)，頂點(diǎn)1個(gè)），所以一個(gè)C₆₀晶胞=

4×60

NA

；
（2）水分子間存在氫鍵，且氫鍵有方向性，導(dǎo)致水分子形成冰時(shí)存在較大的空隙，而受熱融化時(shí)氫鍵被破，干冰分子之間只存在范德華力，形成的分子晶體是密堆積；
（3）a、金剛石中碳原子與四個(gè)碳原子形成4個(gè)共價(jià)單鍵，構(gòu)成正四面體，石墨中的碳原子與相鄰的三個(gè)碳原子以σ鍵結(jié)合，形成平面正六邊形結(jié)構(gòu)；
bc、sp²雜化中，s軌道的成分比sp³雜化更多，而且石墨的碳原子還有大π鍵所以形成的共價(jià)鍵更短，更牢固，即石墨的層內(nèi)共價(jià)鍵鍵長(zhǎng)比金剛石的鍵長(zhǎng)短，作用力更大，破壞化學(xué)鍵需要更大能量；
d、金剛石中碳原子與四個(gè)碳原子形成4個(gè)共價(jià)單鍵，構(gòu)成正四面體，石墨中的碳原子用sp²雜化軌道與相鄰的三個(gè)碳原子以σ鍵結(jié)合，形成正六角形的平面層狀結(jié)構(gòu)；
e、金剛石中碳原子與四個(gè)碳原子形成4個(gè)共價(jià)單鍵，構(gòu)成正四面體，晶體中只含有共價(jià)鍵；石墨中的碳原子用sp²雜化軌道與相鄰的三個(gè)碳原子以σ鍵結(jié)合，形成正六角形的平面層狀結(jié)構(gòu)，而每個(gè)碳原子還有一個(gè)2p軌道，其中有一個(gè)2p電子．這些p軌道又都互相平行，并垂直于碳原子sp²雜化軌道構(gòu)成的平面，形成了大π鍵．因而這些π電子可以在整個(gè)碳原子平面上活動(dòng)，類(lèi)似金屬鍵的性質(zhì)，石墨為層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間通過(guò)范德華力連接；
f、石墨為層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間通過(guò)范德華力連接；
（4）由金剛石的晶胞結(jié)構(gòu)可知，晶胞內(nèi)部有4個(gè)C原子，面心上有6個(gè)C原子，頂點(diǎn)有8個(gè)C原子，根據(jù)金剛石的結(jié)構(gòu)判斷，在BN晶體中，每個(gè)B原子和4個(gè)N原子形成共價(jià)鍵，所以B原子周?chē)�最近的N原子所構(gòu)成的立體圖形為正四面體；B原子的配位數(shù)是4，B原子與N原子之間共價(jià)鍵的數(shù)目是12，一個(gè)晶胞中N原子數(shù)目為4；
（5）銅是29號(hào)元素，根據(jù)核外電子排布規(guī)律寫(xiě)出核外電子排布式再畫(huà)出原子結(jié)構(gòu)示意圖．金屬銅采用面心立方最密堆積，以晶胞頂點(diǎn)上的銅原子為例，與之距離最近的銅原子分布在經(jīng)過(guò)該原子的12個(gè)面的面心上，距離為面對(duì)角線的一半，所以銅原子的配位數(shù)為12，晶胞內(nèi)Cu原子數(shù)目為8×

1

8

+6×

1

2

=4，令銅原子的比較為rcm，則晶胞的棱長(zhǎng)為

2

2

×4rcm=2

2

rcm，所以(2

2

r)3?ρ=

4M

NA

，據(jù)此計(jì)算銅原子半徑；
（6））向Cu²⁺的溶液中加入過(guò)量NaOH溶液可生成[Cu（OH）₄]^2-其中Cu²⁺與4個(gè)OH^-形成配位鍵，據(jù)此答題．

解答： 解：（1）C₆₀分子含有30個(gè)共價(jià)鍵，發(fā)生加成反應(yīng)時(shí)一個(gè)C₆₀分子中含有的碳碳雙鍵個(gè)數(shù)和氟氣分子個(gè)數(shù)相同，1molC₆₀分子中30mol碳碳雙鍵，所以需要30mol氟氣，所以其加成產(chǎn)物的化學(xué)式為：C₆₀F₆₀；C₆₀晶體為面心立方排布，所以每個(gè)C₆₀晶胞有4個(gè)C₆₀分子 （面心3個(gè)，頂點(diǎn)1個(gè)），所以一個(gè)C₆₀晶胞質(zhì)量=

4×60

NA

=

2880

NA

，
故答案為：C₆₀F₆₀；

2880

NA

；
（2）a、水分子間存在氫鍵，且氫鍵有方向性，導(dǎo)致水分子形成冰時(shí)存在較大的空隙，密度比水小，干冰分子之間只存在范德華力，形成的分子晶體是密堆積，密度比水大，故a正確；
b、冰融化時(shí)氫鍵被破，干冰分子之間只存在范德華力，融化時(shí)破壞范德華力，氫鍵比范德華力強(qiáng)，故晶體的熔點(diǎn)冰＞干冰，故b錯(cuò)誤；
c、水分子間存在氫鍵，且氫鍵有方向性，導(dǎo)致水分子形成冰時(shí)存在較大的空隙，干冰分子之間只存在范德華力，形成的分子晶體是密堆積，晶體中的空間利用率：干冰＞冰，故c正確；
d、干冰分子之間存在范德華力，水分子間存在氫鍵，晶體中分子間相互作用力類(lèi)型不相同，故d錯(cuò)誤．
故選：ac；
（3）a、金剛石中碳原子與四個(gè)碳原子形成4個(gè)共價(jià)單鍵，構(gòu)成正四面體，碳原子的雜化類(lèi)型為sp³雜化；石墨中的碳原子與相鄰的三個(gè)碳原子以σ鍵結(jié)合，形成平面正六邊形結(jié)構(gòu)，碳原子的雜化類(lèi)型為sp²雜化，故a正確；
b、sp²雜化中，s軌道的成分比sp³雜化更多，而且石墨的碳原子還有大π鍵所以形成的共價(jià)鍵更短，更牢固，即石墨的層內(nèi)共價(jià)鍵鍵長(zhǎng)比金剛石的鍵長(zhǎng)短，故b錯(cuò)誤；
c、石墨的層內(nèi)共價(jià)鍵鍵長(zhǎng)比金剛石的鍵長(zhǎng)短，作用力更大，破壞化學(xué)鍵需要更大能量，所以晶體的熔點(diǎn)金剛石＜石墨，故c錯(cuò)誤；
d、金剛石中碳原子與四個(gè)碳原子形成4個(gè)共價(jià)單鍵，構(gòu)成正四面體，鍵角為109°28′，石墨中的碳原子用sp²雜化軌道與相鄰的三個(gè)碳原子以σ鍵結(jié)合，形成正六角形的平面層狀結(jié)構(gòu)，鍵角為120°，故d錯(cuò)誤；
e、金剛石中碳原子與四個(gè)碳原子形成4個(gè)共價(jià)單鍵，構(gòu)成正四面體，石墨中的碳原子用sp²雜化軌道與相鄰的三個(gè)碳原子以σ鍵結(jié)合，形成正六角形的平面層狀結(jié)構(gòu)，而每個(gè)碳原子還有一個(gè)2p軌道，其中有一個(gè)2p電子．這些p軌道又都互相平行，并垂直于碳原子sp²雜化軌道構(gòu)成的平面，形成了大π鍵．因而這些π電子可以在整個(gè)碳原子平面上活動(dòng)，類(lèi)似金屬鍵的性質(zhì)，石墨為層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間通過(guò)范德華力連接，說(shuō)明晶體中含有共價(jià)鍵、金屬鍵、范德華力，故e正確；
f、金剛石是原子晶體，石墨為層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間通過(guò)范德華力連接，石墨為混合型晶體，不屬于原子晶體，故f錯(cuò)誤；
故選：ae；
（4）由金剛石的晶胞結(jié)構(gòu)可知，晶胞內(nèi)部有4個(gè)C原子，面心上有6個(gè)C原子，頂點(diǎn)有8個(gè)C原子，在BN晶體中，每個(gè)B原子和4個(gè)N原子形成共價(jià)鍵，所以B原子周?chē)�最近的N原子所構(gòu)成的立體圖形為正四面體；B原子的配位數(shù)是4，B原子與N原子之間共價(jià)鍵的數(shù)目是12，所以B原子與N原子之間共價(jià)鍵的數(shù)目與配位鍵的數(shù)目比為 3：1，一個(gè)晶胞中N原子數(shù)目為 4，
故答案為：正四面體；3：1；4；
（5）銅是29號(hào)元素，核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，原子結(jié)構(gòu)示意圖為；
金屬銅采用面心立方最密堆積，以晶胞頂點(diǎn)上的銅原子為例，與之距離最近的銅原子分布在經(jīng)過(guò)該原子的12個(gè)面的面心上，距離為面對(duì)角線的一半，所以銅原子的配位數(shù)為12，晶胞內(nèi)Cu原子數(shù)目為8×

1

8

+6×

1

2

=4，令銅原子的比較為rcm，則晶胞的棱長(zhǎng)為

2

2

×4rcm=2

2

rcm，所以(2

2

r)3?ρ=

4M

NA

，r=

2

4

×

3	4M ρNA

cm，

故答案為：；12；

2

4

×

3	4M ρNA

cm；
（6））向Cu²⁺的溶液中加入過(guò)量NaOH溶液可生成[Cu（OH）₄]^2-其中Cu²⁺與4個(gè)OH^-形成配位鍵，可表示為，
故答案為：．

點(diǎn)評(píng)：本題考查晶體類(lèi)型與熔沸點(diǎn)高低判斷、晶體結(jié)構(gòu)、對(duì)晶胞的理解與計(jì)算等，難度較大，對(duì)晶胞的計(jì)算注意均攤法的利用，需要學(xué)生具備空間想象能力，注意基礎(chǔ)知識(shí)的理解掌握．