Question

【題目】碳、硅兩元素廣泛存在于自然界中．請回答下列問題：

（1）基態14C原子的核外存在________對自旋方向相反的電子，硅原子的電子排布式為__________。

（2）晶體硅的結構與全剛石非常相似。晶體硅硅中硅原子的雜化方式為_______雜化；金剛石、晶體硅和金剛砂（碳化硅）的熔點由高到低的順序為_____________。

（3）科學研究結果表明，碳的氧化物CO2能夠與H2O借助子太陽能制備HCOOH。其反應原理如下：2CO2+2H2O=2HCOOH+O2，則生成的HCOOH分子中δ鍵和π鍵的個數比是_______。

（4）碳單質有多種形式，其中C60、石墨烯與金剛石晶體結構如圖所示：

①C60、石墨烯與金剛石互為_________。

②C60形成的晶體是分子晶體，C60分子中含有12個五邊形和20個六邊形，碳與碳之間既有單鍵又有雙鍵，已知C60分子所含的雙鍵數為30，則C60分子中_______個C—C 鍵（多面體的頂點數、面數和棱邊數的關系，遵循歐拉定理：頂點數+面數-棱邊數=2）。在石墨烯晶體中，每個C原子連接______個六元環；在金剛石晶體中，每個C原子連接的最小環也為六元環，六元環屮最多有_______個C原子在同一平面。

③金剛石晶胞含有______個碳原子。若碳原子的半徑為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為_______（不要求計算結果）。

Answer 1

【答案】 2 1s22s22p63s23p2 sp3 金剛石>金剛砂>晶體硅 4∶1 同素異形體 60 3 4 8

【解析】（1）基態14C原子的核外電子數是6，核外電子排布式是1s22s22p2，因此存在2對自旋方向相反的電子，硅原子的核外電子數是14，其電子排布式為1s22s22p63s23p2；（2）晶體硅的結構與金剛石非常相似，金剛石是正四面體結構，則晶體硅中硅原子的雜化方式為sp3雜化；金剛石、晶體硅和金剛砂（碳化硅）均是原子晶體，原子半徑是C＜Si，組成原子晶體中共價鍵的鍵長越長，鍵能越大，晶體的熔點越高，所熔點由高到低的順序為金剛石>金剛砂>晶體硅；（3）科學研究結果表明，碳的氧化物CO2能夠與H2O借助子太陽能制備HCOOH。其反應原理如下：2CO2+2H2O=2HCOOH+O2，

單鍵都是δ鍵，雙鍵中含有1個δ鍵和1個π鍵，根據根據甲酸的結構簡式HCOOH可知甲酸分子中δ鍵和π鍵的個數比是4∶1；（4）①C60、石墨烯與金剛石均是碳元素形成的單質，三者互為同素異形體；②由歐拉定理計算鍵數（即棱邊數）：60+（12+20）-2=90，該分子中含雙鍵30個，所以單鍵數為：90-30=60；在石墨烯晶體中，每個C原子連接3個六元環；金剛石晶胞是立方體，因此六元環屮最多有4個C原子在同一平面；③晶胞中頂點微粒數為：8×1/8=1，面心微粒數為：6×1/2=3，體內微粒數為4，共含有8個碳原子；晶胞內含有四個碳原子，則晶胞體對角線長度與四個碳原子直徑相同，即，r=；碳原子的體積為：8×4/3×π×r3，晶胞體積為：a3，碳原子的空間利用率為：碳原子總體積/晶胞體積= 。