Question

碳元素不僅能形成豐富多彩的有機化合物，而且還能形成多種無機化合物，同時自身可以形成多種單質，碳及其化合物的用途廣泛．
（1）C₆₀分子能與F₂發生加成反應，其加成產物為

C₆₀F₆₀

，C₆₀分子的晶體中，在晶胞的頂點和面心均含有一個C₆₀分子，則一個C₆₀晶胞的質量為

2880

NA

g

．
（2）干冰和冰是兩種常見的分子晶體，下列關于兩種晶體的比較中正確的是

ac

．
a．晶體的密度：干冰＞冰           b．晶體的熔點：干冰＞冰
c．晶體中的空間利用率：干冰＞冰   d．晶體中分子間相互作用力類型相同
（3）金剛石和石墨是碳元素形成的兩種常見單質，下列關于這兩種單質的敘述中正確的有

ae

．
a．金剛石中碳原子的雜化類型為sp³雜化，石墨中碳原子的雜化類型為sp²雜化；
b．晶體中共價鍵的鍵長：金剛石中C-C＜石墨中C-C；
c．晶體的熔點：金剛石＞石墨       
d．晶體中共價鍵的鍵角：金剛石＞石墨
e．金剛石晶體中只存在共價鍵，石墨晶體中則存在共價鍵、金屬鍵和范德華力；
f．金剛石和石墨的熔點都很高，所以金剛石和石墨都是原子晶體
（4）金剛石晶胞結構如圖，立方BN結構與金剛石相似，在BN晶體中，B原子周圍最近的N原子所構成的立體圖形為

正四面體

，B原子與N原子之間共價鍵與配位鍵的數目比為

3：1

，一個晶胞中N原子數目為

4

．
（5）C與孔雀石共熱可以得到金屬銅，銅原子的原子結構示意圖為

，金屬銅采用面心立方最密堆積（在晶胞的頂點和面心均含有一個Cu原子），則Cu的晶體中Cu原子的配位數為

12

．已知Cu單質的晶體密度為ρg/cm³，Cu的相對原子質量為M，阿伏伽德羅常數N_A，則Cu的原子半徑為

2

4

×

3	4M ρNA

．

Answer 1

分析：（1）C₆₀分子含有30個共價鍵，發生加成反應時一個C₆₀分子中含有的碳碳雙鍵個數和氟氣分子個數相同，1molC₆₀分子中30mol碳碳雙鍵，所以需要30mol氟氣，根據原子守恒寫出加成產物的化學式；C₆₀晶體為面心立方排布，所以每個C₆₀晶胞有4個C₆₀分子 （面心3個，頂點1個），所以一個C₆₀晶胞=

4×60

NA

×12；
（2）水分子間存在氫鍵，且氫鍵有方向性，導致水分子形成冰時存在較大的空隙，而受熱融化時氫鍵被破，干冰分子之間只存在范德華力，形成的分子晶體是密堆積；
（3）a、金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵，構成正四面體，石墨中的碳原子與相鄰的三個碳原子以σ鍵結合，形成平面正六邊形結構；
bc、sp²雜化中，s軌道的成分比sp³雜化更多，而且石墨的碳原子還有大π鍵所以形成的共價鍵更短，更牢固，即石墨的層內共價鍵鍵長比金剛石的鍵長短，作用力更大，破壞化學鍵需要更大能量；
d、金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵，構成正四面體，石墨中的碳原子用sp²雜化軌道與相鄰的三個碳原子以σ鍵結合，形成正六角形的平面層狀結構；
e、金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵，構成正四面體，晶體中只含有共價鍵；石墨中的碳原子用sp²雜化軌道與相鄰的三個碳原子以σ鍵結合，形成正六角形的平面層狀結構，而每個碳原子還有一個2p軌道，其中有一個2p電子．這些p軌道又都互相平行，并垂直于碳原子sp²雜化軌道構成的平面，形成了大π鍵．因而這些π電子可以在整個碳原子平面上活動，類似金屬鍵的性質，石墨為層狀結構，層與層之間通過范德華力連接；
f、石墨為層狀結構，層與層之間通過范德華力連接；
（4）由金剛石的晶胞結構可知，晶胞內部有4個C原子，面心上有6個C原子，頂點有8個C原子，根據金剛石的結構判斷，在BN晶體中，每個B原子和4個N原子形成共價鍵，所以B原子周圍最近的N原子所構成的立體圖形為正四面體；B原子的配位數是4，B原子與N原子之間共價鍵的數目是12，一個晶胞中N原子數目為 4；
（5）銅是29號元素，根據核外電子排布規律寫出核外電子排布式再畫出原子結構示意圖．金屬銅采用面心立方最密堆積，晶胞內Cu原子數目為8×

1

8

+6×

1

2

=4，令銅原子的比較為rcm，則晶胞的棱長為

2

2

×4rcm=2

2

rcm，所以(2

2

r)3ρ=4

M

NA

，據此計算銅原子半徑．

解答：解：（1）C₆₀分子含有30個共價鍵，發生加成反應時一個C₆₀分子中含有的碳碳雙鍵個數和氟氣分子個數相同，1molC₆₀分子中30mol碳碳雙鍵，所以需要30mol氟氣，所以其加成產物的化學式為：C₆₀F₆₀；C₆₀晶體為面心立方排布，所以每個C₆₀晶胞有4個C₆₀分子 （面心3個，頂點1個），所以一個C₆₀晶胞=

4×60

NA

×12=

2880

NA

g，
故答案為：C₆₀F₆₀；

2880

NA

g；
（2）a、水分子間存在氫鍵，且氫鍵有方向性，導致水分子形成冰時存在較大的空隙，密度比水小，干冰分子之間只存在范德華力，形成的分子晶體是密堆積，密度比水大，故a正確；
b、冰融化時氫鍵被破，干冰分子之間只存在范德華力，融化時破壞范德華力，氫鍵比范德華力強，故晶體的熔點冰＞干冰，故b錯誤；
c、水分子間存在氫鍵，且氫鍵有方向性，導致水分子形成冰時存在較大的空隙，干冰分子之間只存在范德華力，形成的分子晶體是密堆積，晶體中的空間利用率：干冰＞冰，故c正確；
d、干冰分子之間存在范德華力，水分子間存在氫鍵，晶體中分子間相互作用力類型不相同，故d錯誤．
故選：ac；
（3）a、金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵，構成正四面體，碳原子的雜化類型為sp³雜化；石墨中的碳原子與相鄰的三個碳原子以σ鍵結合，形成平面正六邊形結構，碳原子的雜化類型為sp²雜化，故a正確；
b、sp²雜化中，s軌道的成分比sp³雜化更多，而且石墨的碳原子還有大π鍵所以形成的共價鍵更短，更牢固，即石墨的層內共價鍵鍵長比金剛石的鍵長短，故b錯誤；
c、石墨的層內共價鍵鍵長比金剛石的鍵長短，作用力更大，破壞化學鍵需要更大能量，所以晶體的熔點金剛石＜石墨，故c錯誤；
d、金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵，構成正四面體，鍵角為109°28′，石墨中的碳原子用sp²雜化軌道與相鄰的三個碳原子以σ鍵結合，形成正六角形的平面層狀結構，鍵角為120°，故d錯誤；
e、金剛石中碳原子與四個碳原子形成4個共價單鍵，構成正四面體，石墨中的碳原子用sp²雜化軌道與相鄰的三個碳原子以σ鍵結合，形成正六角形的平面層狀結構，而每個碳原子還有一個2p軌道，其中有一個2p電子．這些p軌道又都互相平行，并垂直于碳原子sp²雜化軌道構成的平面，形成了大π鍵．因而這些π電子可以在整個碳原子平面上活動，類似金屬鍵的性質，石墨為層狀結構，層與層之間通過范德華力連接，說明晶體中含有共價鍵、金屬鍵、范德華力，故e正確；
f、金剛石是原子晶體，石墨為層狀結構，層與層之間通過范德華力連接，石墨為混合型晶體，不屬于原子晶體，故f錯誤；
故選：ae；
（4）由金剛石的晶胞結構可知，晶胞內部有4個C原子，面心上有6個C原子，頂點有8個C原子，在BN晶體中，每個B原子和4個N原子形成共價鍵，所以B原子周圍最近的N原子所構成的立體圖形為正四面體；B原子的配位數是4，B原子與N原子之間共價鍵的數目是12，所以B原子與N原子之間共價鍵的數目與配位鍵的數目比為 3：1，一個晶胞中N原子數目為 4，
故答案為：正四面體；3：1；4；
（5）銅是29號元素，核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹，原子結構示意圖為；
金屬銅采用面心立方最密堆積，晶胞內Cu原子數目為8×

1

8

+6×

1

2

=4，令銅原子的半徑為rcm，則晶胞的棱長為
為

2

2

×4rcm=2

2

rcm，所以(2

2

r)3ρ=4

M

NA

，r=

2

4

×

3	4M ρNA

cm，

故答案為：；12；

2

4

×

3	4M ρNA

．

點評：本題考查晶體類型與熔沸點高低判斷、晶體結構、對晶胞的理解與計算等，難度較大，對晶胞的計算注意均攤法的利用，需要學生具備空間想象能力，注意基礎知識的理解掌握．