Question

【題目】碳、硅兩元素廣泛存在于自然界中，請回答下列問題：

（1）基態(tài)14C原子的核外存在___________對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)與金剛石非常相似。晶體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)開________________。

（3）科學(xué)研究結(jié)果表明，碳的氧化物CO2能夠與H2O借助于太陽能制備HCOOH。其反應(yīng)原理如下：2CO2+2H2O2HCOOH+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、石墨烯與金剛石的晶體結(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分子中有____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，C原子所連接的最小環(huán)也為六元環(huán)，六元環(huán)中最多有________個(gè)C原子在同一平面。

③金剛石晶胞含有________個(gè)碳原子。若碳原子半徑為r，金剛石晶胞的邊長為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】（1）2 1s22s22p63s23p2

（2）sp3 金剛石>金剛砂>晶體硅

（3）4∶1

（4）①同素異形體 ②60 3 4

③8

【解析】（1）14C原子核外的電子排布式為1s22s22p2，兩個(gè)s軌道上分別有2個(gè)自旋方向相反的配對電子，根據(jù)洪特規(guī)則，另兩個(gè)p電子分居在兩條軌道上；硅原子的電子排布式為1s22s22p63s23p2。

（2）晶體硅的每個(gè)原子均形成了四個(gè)Si—Si鍵，所以硅原子經(jīng)過了sp3雜化；金剛石、晶體硅和金剛砂（碳化硅）三種晶體的結(jié)構(gòu)相似，均為原子晶體，根據(jù)鍵長可以判斷三種晶體的熔點(diǎn)由高到低的順序?yàn)椋航饎偸?gt;金剛砂>晶體硅。

（3）HCOOH分子中有1個(gè)δCH鍵、1個(gè)δOH鍵、2個(gè)δCO鍵和1個(gè)πCO鍵，即δ鍵和π鍵的個(gè)數(shù)比是4∶1。

（4）①C60、石墨烯與金剛石為不同結(jié)構(gòu)的碳單質(zhì)，三者互為同素異形體。

②已知C60的頂點(diǎn)數(shù)為60，面數(shù)為32，由歐拉定理計(jì)算鍵數(shù)（即棱邊數(shù)）：60+(12+20)2=90，已知該分子中含雙鍵30個(gè)，C60分子中單鍵為：9030=60。在石墨烯晶體中，每個(gè)C原子連接3個(gè)六元環(huán)。由金剛石的晶體結(jié)構(gòu)圖可以看出，六元環(huán)中最多有4個(gè)C原子在同一平面。③由金剛石的晶胞結(jié)構(gòu)可看出，碳原子位于晶胞的頂點(diǎn)、面心和體內(nèi)，故含有的碳原子數(shù)目為×8+×6+4=8。根據(jù)硬球接觸模型可知，在立方體的對角線上碳原子緊密接觸，故8r=a，則r=a，8個(gè)碳原子的體積為8×πr3=8×π×(a)3=，故原子利用率為。