Question

11．石墨烯[如圖（a）所示]是一種由單層碳原子構(gòu)成的平面結(jié)構(gòu)新型碳材料，石墨烯中部分碳原子被氧化后，其平面結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，轉(zhuǎn)化為氧化石墨烯[如圖（b）所示]．

（1）圖（a）中，1號(hào)C與相鄰C形成σ鍵的個(gè)數(shù)為3．
（2）圖（b）中，1號(hào)C的雜化方式是sp³，該C與相鄰C形成的鍵角＜（填“＞”“＜”或“=”）  圖（a）中1號(hào)C與相鄰C形成的鍵角．
（3）若將圖（b）所示的氧化石墨烯分散在H₂O中，則氧化石墨烯中可與H₂O形成氫鍵的原子有O、H（填元素符號(hào)）．
（4）石墨烯可轉(zhuǎn)化為富勒烯（C₆₀），某金屬M(fèi)與C₆₀可制備一種低溫超導(dǎo)材料，晶胞如圖（c）所示，M原子位于晶胞的棱上與內(nèi)部．該材料的化學(xué)式為M₃C₆₀．
（5）碳的一種同素異形體--C₆₀，又名足球烯，是一種高度對(duì)稱(chēng)的球碳分子．立方烷（分子式：C₈H₈，結(jié)構(gòu)是立方體：（）是比C₆₀約早20年合成出的一種對(duì)稱(chēng)型烴類(lèi)分子，而現(xiàn)如今已合成出一種立方烷與C₆₀的復(fù)合型分子晶體，該晶體的晶胞結(jié)構(gòu)如圖（d）所示，立方烷分子填充在原C₆₀晶體的分子間空隙中．則該復(fù)合型分子晶體的組成用二者的分子式可表示為C₈H₈．C₆₀

（6）碳的另一種同素異形體--石墨，其晶體結(jié)構(gòu)如圖（e）所示，虛線勾勒出的是其晶胞．則石墨晶胞含碳原子個(gè)數(shù)為4個(gè)．已知石墨的密度為ρg．cm^-3，C-C鍵長(zhǎng)為rcm，阿伏伽德羅常數(shù)的值為N_A，計(jì)算石墨晶體的層間距為$\frac{\sqrt{3}}{16}$ρN_Ar²cm．

Answer 1

分析 （1）石墨烯中每個(gè)C原子和相鄰3個(gè)碳原子形成3個(gè)σ鍵；
（2）氧化石墨烯中每個(gè)C原子形成4個(gè)σ鍵，價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)是4，根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論判斷C原子雜化方式；乙中每個(gè)碳原子和3個(gè)C、1個(gè)O原子形成四面體結(jié)構(gòu)，甲中每個(gè)C原子和相鄰3個(gè)碳原子形成平面結(jié)構(gòu)；
（3）乙中含有羥基、羧基，O、H原子可以分別與水中H原子、O原子形成羥基；
（4）根據(jù)均攤法計(jì)算晶胞中M原子數(shù)目、C₆₀個(gè)數(shù)，進(jìn)而確定化學(xué)式；
（5）根據(jù)均攤法計(jì)算晶胞中C₆₀數(shù)目，立方烷分子填充在原C₆₀晶體的分子間空隙中，根據(jù)晶胞中C₆₀數(shù)目確定立方烷數(shù)目，進(jìn)而確定化學(xué)式；
（6）根據(jù)均攤法計(jì)算石墨晶胞中C原子數(shù)目，石墨的晶胞結(jié)構(gòu)為，設(shè)晶胞的底邊長(zhǎng)為acm，晶胞的高為h cm，層間距為d cm，則h=2d，底面圖為，則$\frac{a}{2}$=r×sin60°，可得a=$\sqrt{3}$r，再計(jì)算底面面積，根據(jù)均攤法計(jì)算晶胞質(zhì)量，結(jié)合ρ=$\frac{m}{{a}^{2}sin60°×2d}$計(jì)算

解答 解：（1）由圖可知，甲中1號(hào)C與相鄰C形成3個(gè)C-C鍵，形成σ鍵的個(gè)數(shù)為3，故答案為：3；
（2）圖乙中，1號(hào)C形成3個(gè)C-C及1個(gè)C-O鍵，C原子以sp³雜化，為四面體構(gòu)型，而石墨烯中的C原子雜化方式均為sp²，為平面結(jié)構(gòu)，則圖乙中C與相鄰C形成的鍵角＜圖甲中1號(hào)C與相鄰C形成的鍵角，故答案為：sp³；＜；
（3）乙中含有羥基、羧基，O、H原子可以分別與水中H原子、O原子形成羥基，故答案為：O、H；
（4）晶胞中，M原子個(gè)數(shù)=8+12×$\frac{1}{4}$+1=12、C₆₀個(gè)數(shù)=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，則C₆₀與M原子個(gè)數(shù)之比=4：12=1：3，其化學(xué)式為 M₃C₆₀，故答案為：M₃C₆₀；
（5）晶胞中C₆₀數(shù)目為8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，立方烷分子填充在原C₆₀晶體的分子間空隙中，晶胞中立方烷數(shù)目為4，則化學(xué)式為C₈H₈．C₆₀，故答案為：C₈H₈．C₆₀；

（6）由圖可知石墨的晶胞結(jié)構(gòu)為，設(shè)晶胞的底邊長(zhǎng)為acm，晶胞的高為h cm，層間距為d cm，則h=2d，底面圖為，則$\frac{a}{2}$=r×sin60°，可得a=$\sqrt{3}$r，則底面面積為（$\sqrt{3}$r）²×Sin60°，晶胞中C原子數(shù)目為1+2×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$+4×$\frac{1}{4}$=4，晶胞質(zhì)量為$\frac{4×12}{{N}_{A}}$g，則：
ρg．cm^-3=$\frac{4×12}{{N}_{A}}$g÷[（$\sqrt{3}$r）²×Sin60°×2d]cm³，整理可得d=$\frac{\sqrt{3}}{16}$ρN_Ar²，
故答案為：4；$\frac{\sqrt{3}}{16}$ρN_Ar²．

點(diǎn)評(píng) 本題是對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的考查，涉及核化學(xué)鍵、氫鍵、雜化方式判斷、晶胞計(jì)算等，（6）中計(jì)算為易錯(cuò)點(diǎn)、難點(diǎn)，基本屬于純數(shù)學(xué)計(jì)算，需要學(xué)生具備一定的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，難度較大．