Question

【題目】碳元素的單質有多種形式，下圖依次是C60、石墨和金剛石的結構圖：

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________共價鍵，而石墨層內的C—C間不僅存在_________共價鍵，還有_________鍵。

（5）金剛石晶胞含有________個碳原子。若碳原子半徑為r，金剛石晶胞的邊長為a，根據硬球接觸模型，則r=________a，列式表示碳原子在晶胞中的空間占有率________(用含π分數形式表示，不要求寫成百分數)。

Answer 1

【答案】同素異形體 sp3 sp2 分子 混合 σ σ π 8

【解析】

(1)由同種元素組成的不同單質互稱同素異形體；

(2)根據價層電子對互稱理論確定原子雜化類型；

(3)分子晶體的構成微粒是分子，原子晶體的構成微粒是原子；

(4)sp3雜化的碳原子之間形成的共價鍵為σ鍵，sp2雜化的碳原子之間形成的共價鍵中含有σ鍵和π鍵；

(5)利用均攤法分析計算。

(1)由同種元素組成的不同單質互稱同素異形體，金剛石、石墨、C60、碳納米管等都是碳元素的單質形式，屬于同素異形體，故答案為：同素異形體；

(2)金剛石中每個碳原子價層電子對個數是4，所以C原子雜化方式為sp3，石墨烯中每個碳原子價層電子對個數是3，所以碳原子雜化方式為sp2，故答案為：sp3；sp2；

(3)C60的構成微粒是分子，所以屬于分子晶體；石墨的構成微粒是原子，且層與層之間存在分子間作用力，所以石墨屬于混合型晶體，故答案為：分子；混合；

(4)sp3雜化的碳原子之間形成的共價鍵為σ鍵，sp2雜化的碳原子之間形成的共價鍵中含有σ鍵和π鍵，因此，金剛石中碳原子之間都是碳碳單鍵，只存在σ鍵，石墨中存在自由移動的電子，碳原子之間存在σ鍵和π鍵，故答案為：σ；σ；π

(5)晶胞中頂點微粒數為：8×=1，面心微粒數為：6×=3，體內微粒數為4，共含有8個碳原子；晶胞內部含有四個碳原子，則晶胞體對角線長度是碳原子直徑的8倍，即 a=8r，r=a；8個碳原子的體積為：8××π×r3，晶胞體積為：a3，碳原子的空間利用率為： == ，故答案為：8；；。