Question

【題目】石墨烯是一種由碳原子組成六角形呈蜂巢晶格的二維碳納米材料(如圖甲),石墨烯中部分碳原子被氧化后，其平面結構會發生改變，轉化為氧化石墨烯(如圖乙)。

(1)圖甲中，1號C與相鄰C形成σ鍵的個數為__________。

(2)圖乙中，1號C的雜化方式是__________，該C與相鄰C形成的鍵角__________(填“>”、“<”或“=”)圖甲中1號C與相鄰C形成的鍵角。

(3)我國制墨工藝是將50nm左右的石墨烯或氧化石墨烯溶于水，在相同條件下所得到的分散系后者更為穩定，其原因是____________________。

(4)石墨烯可轉化為富勒烯(C60)，某金屬M與C60可制備一種低溫超導材料，晶胞如圖丙所示，M原子位于晶胞的棱心與內部。該晶胞中M原子的個數為____________，該材料的化學式為_______________。

(5)金剛石與石墨都是碳的同素異形體。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，金剛石晶胞中碳原子的空間占有率為___________。

(6)一定條件下，CH4、CO2都能與H2O形成籠狀結構(如下圖所示)的水合物晶體，其相關參數見下表。CH4與H2O形成的水合物晶體俗稱“可燃冰”。

①“可燃冰”中分子間存在的2種作用力是___________________________；

②為開采深海海底的“可燃冰”，有科學家提出用CO2置換CH4的設想。已知上圖中籠狀結構的空腔直徑為0.586nm，結合圖表從物質結構及性質的角度分析，該設想的依據是：______________________________。

參數 分子	分子直徑/nm	分子與H2O的結合能E/(kJ·mol-1)
CH4	0.436	16.40
CO2	0.512	29.91

Answer 1

【答案】 3 sp3 < 氧化石墨烯可與水形成氫鍵更穩定 12 M3C60 ×100% (或34%) 氫鍵、范德華力 CO2的分子直徑小于籠狀結構空腔直徑,且CO2與水的結合能大于CH4與水的結合能

【解析】分析：本題對物質結構知識的綜合考察。主要涉及到分子中σ鍵數目的計算、氫鍵、分子間作用力等基礎知識；根據中心原子價層電子對數就可以判定中心碳原子雜化方式，對于金剛石晶胞，體對角線與碳原子半徑之間的關系為r= ，就能夠解答出金剛石晶胞中碳原子的空間占有率。

詳解：（1）圖甲中，與1號碳相連的碳原子數為3，所以1號碳與相鄰碳形成σ鍵的個數為3；正確答案：3。

（2）圖乙中，1號碳與相鄰的3個碳和1個氧相連，形成4個σ鍵，雜化方式為sp3 ；圖乙中1號碳與相鄰碳形成立體結構，而圖甲中1號碳與相連碳構成的為平面結構，所以圖乙中1號碳與相鄰碳形成的鍵角要小；正確答案：sp3 ；<。

(3) 由于氧化石墨烯可與水形成氫鍵更穩定，所以將50nm左右的石墨烯或氧體對角線的長度為碳原子半徑的化石墨烯溶于水，在相同條件下所得到的分散系氧化石墨烯更為穩定；正確答案：氧化石墨烯可與水形成氫鍵更穩定。

(4) 該晶胞中M的原子個數為12×1/4+9=12；該晶胞中C60的個數為8×1/8+6×1/2=4，所以該材料的化學式為M3C60；正確答案：12；M3C60。

(5)金剛石晶胞中含有碳原子數為8×1/8+6×1/2+4=8，金剛石不是緊密堆積結構，設體心有一個球，半徑為r cm，沿體對角線方向有5個球，體對角線距離為8r=a×√3, r= ，原子的體積V(原子)= ×8=32πr3/3，晶胞的體積 V(晶胞)= a3=（）3，空間占有率= V(原子)/ V(晶胞)= = ×100%；正確答案：×100% (或34%)。

(6)①CH4與形成的水合物俗稱“可燃冰”，分子晶體中作用力是范德華力，水分子之間存在氫鍵；正確答案：氫鍵、范德華力。

②由表格可知：二氧化碳的分子直徑小于籠狀結構的空腔直徑，即0.512＜0.586，能順利進入籠狀空腔內，且二氧化碳與水的結合能力強于甲烷，即29.91＞16.40；正確答案：CO2的分子直徑小于籠狀結構空腔直徑,且CO2與水的結合能大于CH4與水的結合能力。