Question

16．2000 年，德國Freiburg大學(xué)的H．Prinzbach宣稱，他們通過摘除法，已經(jīng)在氣相質(zhì)譜儀的氣體中發(fā)現(xiàn)了最小的球碳分子（富勒烯）--C₂₀（如圖所示）．然后在電子沖擊質(zhì)譜儀中觀察到了微量C₂₀⁺和C₂₀²⁺的存在． 他將C₂₀H₂₀ 溶解在液溴里，在燒瓶里加壓長時(shí)間回流，最終得到平均組成為 C₂₀HBr₁₃的產(chǎn)物．
（1）C₂₀的空間構(gòu)型是正十二面體，其中 C-C σ鍵數(shù)是30，鍵角是108°；
（2）C₂₀²⁺中存在的π鍵數(shù)是9；
（3）C₂₀H₂₀分子中 C 原子雜化類型是sp³雜化，H-C-C 鍵角比 C-C-C 鍵角大（填“大”、“小”或“相等”），C₂₀H₂₀中 C-C σ鍵長比 C₂₀中長（填“長”、“短”或“相等”）；
（4）如果我們將C₂₀HBr₁₃看成唯一的有機(jī)產(chǎn)物，請(qǐng)配平下列方程式：
C₂₀H₂₀+Br₂ $\stackrel{催化劑}{→}$C₂₀HBr₁₃+19HBr．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)晶胞的結(jié)構(gòu)結(jié)合均攤法進(jìn)行計(jì)算，共有20個(gè)點(diǎn)，每5個(gè)點(diǎn)構(gòu)成一正五邊形，C₂₀的空間構(gòu)型是正十二面體，分子中平均每個(gè)碳原子形成的棱為$\frac{3}{2}$，碳為四價(jià)，n（單鍵）+n（雙鍵）=n（棱邊數(shù)），正五邊形內(nèi)角為108°；
（2）碳碳雙鍵中含有1個(gè)π鍵，C₂₀²⁺為C₂₀失去2個(gè)電子形成的陽離子；
（3）根據(jù)分子的組成判斷形成的δ鍵數(shù)目以及孤電子對(duì)數(shù)目，以此判斷雜化類型，根據(jù)烷烴、正五邊形比較鍵角，H-C-C 鍵角比 C-C-C 鍵角大，C₂₀H₂₀中 C-C σ鍵長比 C₂₀中長；
（4）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后原子守恒可知，另一種產(chǎn)物為溴化氫．

解答 解：（1）根據(jù)圖示晶胞的結(jié)構(gòu)可知，共有20個(gè)點(diǎn)，每5個(gè)點(diǎn)構(gòu)成一正五邊形，每個(gè)點(diǎn)被三個(gè)面共用，C₂₀的面數(shù)為$\frac{20×3}{5}$=12，C₂₀的空間構(gòu)型是正十二面體，每個(gè)點(diǎn)被三個(gè)面共用，分子中平均每個(gè)碳原子形成的棱為$\frac{3}{2}$，棱數(shù)為：$\frac{3}{2}$×2=30，碳為四價(jià)，n（單鍵）+n（雙鍵）=30（棱邊數(shù)），根據(jù)碳原子的連接方式可得n（雙鍵）=20÷2=10，n（單鍵）=30-10=20，碳碳雙鍵中含有一單鍵，所以C-C σ鍵數(shù)是=20+10=30，組成正五邊形，正五邊形內(nèi)角為鍵角，鍵角為108°，
故答案為：十二；30；108°；
（2）C₂₀²⁺為C₂₀失去2個(gè)電子形成的陽離子，相對(duì)于C₂₀少一個(gè)雙鍵，C₂₀含有9個(gè)雙鍵，因此C₂₀²⁺中存在的π鍵數(shù)是9，
故答案為：9；
（3）C₂₀H₂₀分子相當(dāng)于C₂₀中的雙鍵與氫氣加成，全部變?yōu)閱捂I，則分子中C原子含有4個(gè)σ鍵電子對(duì)，沒有孤電子對(duì)，碳原子的雜化為sp³雜化，C-C-C 為正五邊形的內(nèi)角，而H-C-C 鍵角類似烷烴的中碳?xì)鋳A角，所以比 C-C-C 鍵角大，C₂₀H₂₀中 C-C σ鍵長比 C₂₀中長，
故答案為：sp³；大；長；
（4）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后原子守恒可知，另一種產(chǎn)物為溴化氫，化學(xué)方程式為：C₂₀H₂₀+16Br₂ $\stackrel{催化劑}{→}$C₂₀HBr₁₃+19HBr，
故答案為：C₂₀H₂₀+16Br₂ $\stackrel{催化劑}{→}$C₂₀HBr₁₃+19HBr．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)知識(shí)，掌握均攤法是解答關(guān)鍵，注意掌握雜化類型的判斷方法，為高頻考點(diǎn)，題目難度中等．