Question

如圖1，新技術(shù)的開發(fā)離不開新材料，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究為新材料的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)．2010、2011年的諾貝爾獎(jiǎng)均與物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)．2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了因在二維空間材料石墨烯方面進(jìn)行了開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的兩位英國科學(xué)家．2011年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體的以色列化學(xué)家．試回答下列問題：

（1）石墨烯可以看做單層的石墨，所有的碳原子都以單鍵結(jié)合，每個(gè)碳原子多余的一個(gè)電子用于形成一種特殊的大π鍵，所以這些π鍵電子可以在石墨烯中自由運(yùn)動(dòng)．下列關(guān)于石墨烯的說法中錯(cuò)誤的是

 

A．只有一個(gè)碳原子的厚度，如此薄的結(jié)晶材料肯定是非常不穩(wěn)定的．
B．應(yīng)該具有和金屬一樣良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能．
C．所有的碳原子均為sp²雜化
D．由于碳碳原子間以共價(jià)鍵相結(jié)合，它的熔點(diǎn)應(yīng)該是非常高的．
（2）若已知石墨烯中每個(gè)碳碳鍵的鍵長為142pm，可以計(jì)算出平均每個(gè)正六邊形的面積約為5.24×10^-20m²，則12g石墨烯的面積約為

 

 m²（用科學(xué)計(jì)數(shù)法表示，且小數(shù)點(diǎn)后保留兩位）．
（3）上海世博會(huì)場(chǎng)館大量的照明材料或屏幕使用了發(fā)光二極管（LED）．目前市售LED晶片，材質(zhì)基本以GaAs（砷化鎵）、AlGaInP（磷化鋁鎵銦）、InGaN（氮化銦鎵）為主．鎵的基態(tài)原子的電子排布式是

 

．
（4）砷化鎵的晶胞結(jié)構(gòu)如圖2所示．與同一個(gè)鎵原子相連的砷原子構(gòu)成的空間構(gòu)型為

 

．砷化鎵晶體中

 

配位鍵．（填“有”或“無”）
（5）已知Ga的原子半徑為136pm，As的原子半徑為114pm，

3

=1.732，根據(jù)以上數(shù)據(jù)估算該晶體密度為

 

g/cm³．（列式并計(jì)算，結(jié)果取整數(shù)）

Answer 1

考點(diǎn)：晶胞的計(jì)算,原子核外電子排布,判斷簡單分子或離子的構(gòu)型

專題：化學(xué)鍵與晶體結(jié)構(gòu)

分析：（1）A．石墨烯可以看做單層的石墨，所有的碳原子都以單鍵結(jié)合，在單層的石墨存在大π鍵，所以石墨烯的性質(zhì)還是很穩(wěn)定的；
B．由于在單層的石墨存在大π鍵，這些π鍵電子可以在石墨烯中自由運(yùn)動(dòng)，所以石墨烯具有和金屬一樣良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能；
C．石墨烯中所有的碳原子都以單鍵結(jié)合，每個(gè)碳周圍有三個(gè)碳，形成三個(gè)共價(jià)鍵，所以所有的碳原子均為sp²雜化；
D．由于石墨烯可以看做單層的石墨，在同一層內(nèi)所有的碳原子都以單鍵結(jié)合，但層與層之間是范德華力，所以它的熔沸點(diǎn)應(yīng)當(dāng)介于分子晶體和原子晶體之間；
（2）利用均攤法算出每個(gè)六邊形實(shí)際占有碳原子的個(gè)數(shù)，再結(jié)合六邊形的面積和碳原子的物質(zhì)的量可以算得石墨烯的面積；
（3）鎵是31號(hào)元素，根據(jù)原子核外電子排布規(guī)律可以寫出電子排布式；
（4）由晶胞圖可知與同一個(gè)鎵原子相連的砷原子構(gòu)成的空間構(gòu)型為正四面體；根據(jù)鎵和砷的最外層電子數(shù)分別為3和5，而在晶胞中無論是鎵還是砷周圍都連了四個(gè)共價(jià)鍵，根據(jù)八電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的原則可知，鎵和砷之間有一個(gè)配位鍵；
（5）根據(jù)Ga的原子半徑和As的原子半徑可以估算出晶胞的體積，再根據(jù)晶胞中含有的原子個(gè)數(shù)及質(zhì)量可以估算出密度．

解答： 解：（1）A．石墨烯可以看做單層的石墨，所有的碳原子都以單鍵結(jié)合，在單層的石墨存在大π鍵，所以石墨烯的性質(zhì)還是很穩(wěn)定的，故A錯(cuò)誤；
B．由于在單層的石墨存在大π鍵，這些π鍵電子可以在石墨烯中自由運(yùn)動(dòng)，所以石墨烯具有和金屬一樣良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，故B正確；
C．石墨烯中所有的碳原子都以單鍵結(jié)合，每個(gè)碳周圍有三個(gè)碳，形成三個(gè)共價(jià)鍵，所以所有的碳原子均為sp²雜化，故C正確；
D．由于石墨烯可以看做單層的石墨，在同一層內(nèi)所有的碳原子都以單鍵結(jié)合，但層與層之間是范德華力，所以它的熔沸點(diǎn)應(yīng)當(dāng)介于分子晶體和原子晶體之間，故D正確；
故答案為：A；
（2）利用均攤法算出每個(gè)六邊形實(shí)際占有碳原子的個(gè)數(shù)為6×

1

3

=2，所以，12g石墨烯（即1mol）實(shí)際占有的六邊形的個(gè)數(shù)為

1

2

×6.02×1023，所以算得石墨烯的面積為

1

2

×6.02×1023×5.24×10-20m2=1.58×10⁴m²，故答案為：1.58×10⁴；
（3）鎵是31號(hào)元素，根據(jù)原子核外電子排布規(guī)律可以寫出電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹（或[Ar]3d¹⁰4s²4p¹ ），故答案為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹（或[Ar]3d¹⁰4s²4p¹ ）；
（4）由晶胞圖可知與同一個(gè)鎵原子相連的砷原子構(gòu)成的空間構(gòu)型為正四面體；根據(jù)鎵和砷的最外層電子數(shù)分別為3和5，而在晶胞中無論是鎵還是砷周圍都連了四個(gè)共價(jià)鍵，根據(jù)八電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的原則可知，鎵和砷之間有一個(gè)配位鍵，故答案為：正四面體； 有；
（5）根據(jù)晶胞的結(jié)構(gòu)可知，晶胞的體對(duì)角線長度應(yīng)為兩個(gè)鎵原子和兩個(gè)砷原子直徑的長度之和，即體對(duì)角線長度為4×（136+114），由此求得晶胞的邊長為

4×(136+114)

3

pm，而每個(gè)晶胞中含有鎵的原子個(gè)數(shù)為8×

1

8

+6×

1

2

=4，含有砷原子的個(gè)數(shù)為4，所以晶胞的密度為：

4×(70+75) 6.02×1023

[ 4×(136+114) 3 ×10-10]3

g/cm³=5，
故答案為：

4×(70+75) 6.02×1023

[ 4×(136+114) 3 ×10-10]3

g/cm³=5；

點(diǎn)評(píng)：本題考查了混合型晶體的性質(zhì)、均攤法計(jì)算、晶體的結(jié)構(gòu)、晶胞的計(jì)算等知識(shí)，中等難度，解題的難點(diǎn)在（5）中晶胞看作是由原子的實(shí)心球體堆積而成，利用幾何知識(shí)，分析得出晶胞體積與原子大小的關(guān)系．