Question

下圖分別是金剛石、石墨、足球烯和碳納米管的結(jié)構(gòu)示意圖．圖中小黑點或小黑圈均代表碳原子．

（1）四種物質(zhì)互稱為

 

．寫出碳原子的基態(tài)電子排布圖

 

．
（2）試比較：第一電離能I₁（C）、I₁（N）、I₁（O）由大到小的順序為

 

．
（3）石墨中存在的作用力有

 

．
A：σ鍵    B：π鍵    C：氫鍵    D：配位鍵    E：分子間作用力
石墨中碳原子采取的雜化方式是

 

．
（4）仔細(xì)觀察圖A金剛石結(jié)構(gòu)，有人從中找出它的晶胞結(jié)構(gòu)是碳原子位于立方體的所有頂點及面心處，將立方體切割成8個小立方體，在其中4個互不相鄰的立方體體心各有一個碳原子．請畫出一個晶胞結(jié)構(gòu)示意圖．若金剛石的密度為ρg?cm^-3，試計算碳原子的半徑為

 

cm．

Answer 1

考點：晶胞的計算,元素電離能、電負(fù)性的含義及應(yīng)用,原子軌道雜化方式及雜化類型判斷

專題：

分析：（1）金剛石、石墨、足球烯和碳納米管都是碳的單質(zhì)，根據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖可以看出它們結(jié)構(gòu)都不同，據(jù)此判斷；碳是6號元素，根據(jù)構(gòu)造原理可寫出基態(tài)電子排布圖；
（2）根據(jù)元素周期律可判斷第一電離能；
（3）根據(jù)石墨的結(jié)構(gòu)可判存在的作用力，及碳的雜化方式；
（4）根據(jù)圖A及題目中的描述，可畫出示意圖，根據(jù)金剛石的密度及摩爾質(zhì)量算出金剛石晶胞的體積，再根據(jù)晶胞中碳原子的分布情況，計算出碳原子半徑．

解答： 解：（1）金剛石、石墨、足球烯和碳納米管都是碳的單質(zhì)，根據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖可以看出它們結(jié)構(gòu)都不同，所以它們是互為同素異形體，碳是6號元素，根據(jù)構(gòu)造原理可知碳的基態(tài)電子排布圖為：，
故答案為：同素異形體；；
（2）根據(jù)元素周期律可知同周期元素從左向右第一電離能逐漸增大，但由于第ⅡA族和第ⅤA族元素原子最外層是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，它們都比后面一族同周期元素的第一電離能要大，所以I₁（N）＞I₁（O）＞I₁（C），故答案為：I₁（N）＞I₁（O）＞I₁（C）；
（3）石墨是層狀結(jié)構(gòu)，在同一層內(nèi)碳與碳之間形成C-C單鍵，是σ鍵，而在層與層之間是通過分子間作用力相結(jié)合，所以石墨中存在的作用力是σ鍵和分子間作用于，故選AE，在層內(nèi)每個碳與周圍三個碳形成共價鍵，所以碳的雜化方式為sp³，故答案為：AE；sp³；
（4）根據(jù)圖A及題目中的描述，可畫出示意圖為：，根據(jù)金剛石晶胞的結(jié)構(gòu)圖可知，金剛石晶胞是面心立方堆積完之后還在四個四面體里有原子，也就是說在金剛石晶胞的體對角線上連排了四個原子，并且相切，所以體對角線長度就是碳原子半徑的8倍，設(shè)晶胞邊長為a，碳原子的半徑為r，即

3

a=8r，
∵碳原子的質(zhì)量=

12

NA

    又∵每個晶胞中含有碳原子個數(shù)=4+8×

1

8

+6×

1

2

=8    由ρ=

8× 12 NA

a3

，得a=2×

3	12 ρNA

，∵

3

a=8r，∴r=

3

8

a=

3

4

×

3	12 ρNA

，
故答案為：

3

4

×

3	12 ρNA

．

點評：本題考查了同素異形體、核外電子排布、第一電離能、雜化方式等、晶胞的結(jié)構(gòu)和計算等，前面三小問難度較小，屬于基礎(chǔ)內(nèi)容，第四小問要求較高，要學(xué)生能充分利用晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合立全幾何的知識解決問題，對學(xué)生的空間想象力要求較高，有一定的難度．