Question

【題目】碳有多種同素異形體，其中石墨烯與金剛石的晶體結(jié)構(gòu)如圖所示：

（1）金剛石、石墨、C60、碳納米管等都是碳元素的單質(zhì)形式，它們互為_____________。

（2）在石墨烯晶體中，每個(gè)C原子連接_____個(gè)六元環(huán)，每個(gè)六元環(huán)占有____個(gè)C原子。

（3）在金剛石晶體中，C原子所連接的最小環(huán)也為六元環(huán)，每個(gè)C原子連接________個(gè)六元環(huán)。

（4）金剛石晶胞含有________個(gè)碳原子。若碳原子半徑為r，金剛石晶胞的邊長為a，列式表示碳原子在晶胞中的空間占有率________(不要求計(jì)算結(jié)果)。

（5）德國和美國科學(xué)家首先制出由20個(gè)碳原子組成的空心籠狀分子C20，該籠狀結(jié)構(gòu)是由許多正五邊形構(gòu)成（如右圖）。請回答： C20分子共有_______個(gè)正五邊形，共有______條棱邊，C20晶體屬于________晶體（填晶體類型）。

Answer 1

【答案】 同素異形體 3 2 12 8 ＝ 12 30 分子晶體

【解析】（1）由同一種元素組成的不同單質(zhì)互稱為同素異形體，故金剛石、石墨、C60、碳納米管等都是碳元素的單質(zhì)形式，它們互為同素異形體；（2）在石墨烯晶體中最小的環(huán)為六元環(huán)，每個(gè)C原子連接3C-C化學(xué)鍵，則每個(gè)C原子連接3個(gè)六元環(huán)，每個(gè)六元環(huán)占有的C原子數(shù)為6×=2個(gè)C原子；（3）在金剛石晶體中，晶體中每個(gè)C原子和它周圍的4個(gè)C原子以共價(jià)鍵相連，金剛石晶體結(jié)構(gòu)的觀察分析形成空間正四面體結(jié)構(gòu)，晶體中每個(gè)碳原子都和其他碳原子構(gòu)成空間正六邊形的碳環(huán)。由于每個(gè)C原子和它周圍的4個(gè)C原子連接，因此它必然同處于4個(gè)六元環(huán)上，而與之相連的4個(gè)C原子的每一個(gè)又和另外3個(gè)C原子相連。因而，它必然又在另外3個(gè)碳原子所在的環(huán)上。所以這個(gè)碳原子連接3×4=12個(gè)六元環(huán)；（4）共價(jià)金剛石的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)金剛石昌胞，屬于A4型，頂點(diǎn)8個(gè)，相當(dāng)于1個(gè)C原子，然后面心上6個(gè)，相當(dāng)于3個(gè)C原子，而在其8個(gè)四面體空隙中有一半也是C原子，且在晶胞內(nèi)，故還有4個(gè)C原子，加在一起，可得一個(gè)金剛石晶胞中有8個(gè)C原子，若碳原子半徑為r，金剛石晶胞的邊長為a，根據(jù)硬球接觸模型，則正方體對角線的就是C-C鍵的鍵長，即a=2r，所以r=a，碳原子在晶胞中的空間占有率===。