Question

【題目】組成生命的最基本元素之一是碳，其單質及化合物在研究和生產中有許多重要用途。請回答下列問題:

（1）基態碳原子價電子原子軌道表示式為________，其核外有________種空間運動狀態的電子.

（2） 有機物中都含有碳原子，這和碳原子電子云的成鍵特點有關，試解釋有機物種類繁多的原因________ 。

（3） 比較下列碳酸鹽在一定溫度下會發生分解的溫度和對應的陽離子半徑，分析其變化規律及原因_____________。

碳酸鹽	MgCO3	CaCO3	BaCO3	SrCO3
熱分解溫度/℃	402	900	1172	1360
陽離了半徑/pm	66	99	112	135

（4）1828 年，德國化學家烏勒(F·Wohler)沖破了生命力學說的束縛，在實驗室里將無機物氰酸銨(NH4CNO)溶液蒸發，得到了有機物尿素[CO(NH2)2]。尿素中C、N、O第一電離能大小順序為____________。

（5） 碳的同素異形體有多種，其中一種為石墨，系平面層狀結構。同一層內每個碳原子與其它三個碳原子以C -C 鍵相連構成平面正六邊形，且層間可以滑動，它的結構如圖所示。其中碳原子的雜化方式為_______，層間存在的作用力為__________。

（6）石墨晶體二維結構的特殊性。

①同一層面內的平面六元并環結構(見上圖)。在含lmolC原子的石墨中，有_____個平面正六邊形。

②已知石墨層間距為335pm，C-C鍵長為142pm，其密度______g/cm3(已知：lpm=10-10cm。列出計算式即可)

Answer 1

【答案】 6 碳原子間的價電子可以通過sp3 sp2 sp等形成共用電子對，構成長的碳鏈、碳環，以及碳碳單鍵、雙鍵、三鍵，而且還存在同分異構現象 因為碳酸鹽的分解過程實際上是晶體中陽離子結合CO32-中的氧離子，使CO32-分解為CO2的過程，所以當陽離子所帶電荷相同時，陽離子半徑越小，其結合氧離子能力就越強，對應的碳酸鹽就越容易分解 N＞O＞C sp2 分子間作用力 0.5NA

【解析】（1）軌道表示式是用方框和箭頭表明核外電子排布的式子，碳原子價電子排布式為2s22p2，根據能量最低原理、泡利不相容原理和洪特規則，其價電子原子軌道表示式為；碳原子核外有6個電子，原子核外不存在運動狀態完全相同的電子，所以其核外有6種空間運動狀態的電子。

（2）有機物中都含有碳原子，碳原子間的價電子可以通過sp3、sp2、sp等形成共用電子對，即形成碳碳單鍵、碳碳雙鍵、碳碳叁鍵，可以構成長的碳鏈、碳環，而且還存在同分異構現象，這些都是有機物種類繁多的原因。

（3）由表中數據可看出：碳酸鹽中陽離子半徑越小，就越容易分解，因為碳酸鹽分解過程實際是晶體中陽離子結合碳酸根離子中的氧離子，使碳酸根離子分解為二氧化碳的過程，陽離子所帶電荷相同時，陽離子半徑越小，其結合氧離子能力越強，對應的碳酸鹽就越容易分解。

（4）同周期從左到右隨著原子序數的增大第一電離能呈增大趨勢，但是N元素原子的2p能級有3個電子，為半充滿穩定狀態，能量降低，失去電子需要的能量較高，第一電離能高于同周期相鄰元素，故第一電離能N＞O＞C。

（5）石墨是平面層狀結構，每層每個碳原子與周圍的三個碳原子成σ鍵，鍵角為120°，根據價層電子對互斥理論，石墨中的碳以sp2的方式進行雜化；石墨晶體中層與層之間相隔340pm，距離較大，是以范德華力(即分子間作用力)結合起來的。

（6）①由圖可得，每個碳原子被3個六元環占有，利用均攤法計算，每個六元環含有碳原子個數=×6=2，則在含lmolC原子的石墨中，有0.5NA個平面正六邊形。②對于任一層石墨中的一個六元環，正六邊形環的邊長是142pm，將正六邊形的六個頂點與正六邊形的中心連線，分成6個邊長為142pm的正三角形，所以正六邊形的面積S=6××142×142×sin600pm2=3×1422×sin600 pm2；石墨的層間距為335pm，可以認為一層石墨的厚度是335pm，那么一個六元環的體積V=3×1422×sin600×335 pm3=3×1422×sin600×335×10-30 cm3；又根據前面利用均攤法計算，每個六元環含有2個C原子，所以一個六元環的質量m==g，因此，石墨的密度ρ=m/V=g÷(3×1422×sin600×335×10-30) cm3=g/cm3。