Question

碳元素的單質(zhì)有多種形式，下圖依次是C60、石墨和金剛石的結(jié)構(gòu)圖：

回答下列問題：

(1)金剛石、石墨、C60、碳納米管等都是碳元素的單質(zhì)形式，它們互為____________。

(2)金剛石、石墨烯(指單層石墨)中碳原子的雜化形式分別為________、________。

(3)C60屬于________晶體，石墨屬于________晶體。

(4)石墨晶體中，層內(nèi)C—C鍵的鍵長為142 pm，而金剛石中C—C鍵的鍵長為154 pm。其原因是金剛石中只存在C—C間的________共價(jià)鍵，而石墨層內(nèi)的C—C間不僅存在________共價(jià)鍵，還有________鍵。

(5)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__________(不要求計(jì)算結(jié)果)。

Answer 1

答案　(1)同素異形體　(2)sp3　 sp2

(3)分子　混合

(4)σ　σ　π(或大π或p­p π)

(5)8　　＝

解析　(1)金剛石、石墨、C60、碳納米管等都是碳元素的單質(zhì)形式，它們的組成元素相同，結(jié)構(gòu)不同、性質(zhì)不同，互稱為同素異形體。(2)金剛石中碳原子與四個(gè)碳原子形成4個(gè)共價(jià)單鍵(即C原子采取sp3雜化方式)，構(gòu)成正四面體；石墨中的碳原子采用sp2雜化軌道與相鄰的三個(gè)碳原子以σ鍵結(jié)合，形成正六邊形的平面層狀結(jié)構(gòu)。(3)C60中構(gòu)成微粒是分子，所以屬于分子晶體；石墨的層內(nèi)原子間以共價(jià)鍵結(jié)合，層與層之間以分子間作用力結(jié)合，所以石墨屬于混合晶體。(4)在金剛石中只存在C—C之間的σ鍵；石墨層內(nèi)的C—C之間不僅存在σ鍵，還存在π鍵。(5)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，所以金剛石晶胞中C原子數(shù)目為4＋6×＋8×＝8；若C原子半徑為r，金剛石的邊長為a，根據(jù)硬球接觸模型，則正方體對角線長度的就是C—C鍵的鍵長，即a＝2r，所以r＝a；碳原子在晶胞中的空間占有率w＝＝＝。