Question

（12分）幾何學是解決物質結構問題的基礎。C₆₀（每個碳原子與周圍3個碳原子相連，如下圖）是一系列碳原子簇合物（即富勒烯）的一個典型代表,它的應用十分廣泛,涉及光學、信息學、藥物學、催化、儲氫、超導等。就其結構而言也很特殊。18世紀俄羅斯數學家萊昂哈德·歐拉通過理論論證，明確指出任何一個這樣的多面體都必須恰好具有12個五邊形方能閉合成多面體。試回答：

（1）由12個五邊形構成的最小碳籠的化學式為__________________________________，計算過程為_________________________。
（2）除碳原子能形成籠形球狀分子外，實驗中還發現了以金屬原子部分取代碳原子的“金屬——碳原子”團簇分子，即金屬碳烯，若金屬碳烯的價電子總數與碳原子團簇分子的價電子總數相等，你認為能代替碳原子的金屬有____________________________________（填在周期表中的位置）。
（3）在最小的金屬碳烯原子簇化合物中，金屬與碳原子個數比為2∶3，這種最小金屬碳烯團簇分子的化學式為_____________________________（用M代金屬）。
（4）計算機技術的發展帶動了理論化學的發展。最近，美國研究人員通過理論計算證明，可以用24個X原子和24個Y原子代替48個碳原子形成C₁₂X₂4Y₂4新的團簇分子。若已知這種全非金屬團簇分子與C₆₀價電子總數相等，且X、Y、C元素位于同一周期，X的原子半徑小于Y的原子半徑，則在12個五邊形中，每個五邊形中有___________個X原子，有___________個Y原子，X是___________元素，Y是___________元素。
（5）目前，化學家已經找到十余種富勒烯家族成員，如C₂8、C₃2、C₅0、C₆₀、C₇₀……（富勒烯家族成員還在增加），它們的分子結構都是由正五邊形和正六邊形構成的封閉的凸多面體，則C₈₀結構中五邊形和六邊形的個數分別是_________和_________。
（6）下列物質不屬于富勒烯家族的有___________。

A．C18

B．C44

C．C72

D．C83

（7）晶體硼的基本結構單元是由硼原子組成的正二十面體（如下圖所示）。其中含有20個等邊三角形和一定數目的頂角，每個頂角上各有一個硼原子。請根據觀察和計算確定：

①該基本結構單元內，所含硼原子的個數為__________；所含B—B鍵的數目是__________。
②若將晶體硼結構單元的每個頂角削去，余下部分就和C₆₀晶體的結構相同。據此確定，C₆₀是由__________個正六邊形和__________個正五邊形構成。

Answer 1

（1）C₂₀  12×5/3=20
（2）ⅣA或ⅣB的金屬   （3）M₈C₁₂
（4）2  2  N  B （5）12  30 （6）AD
（7）①12  30 ②12  20

（1）根據“一個碳原子與另三個碳原子相連”的結構特點，很快可以算出由12個五邊形構成的最小碳籠分子中含有的碳原子個數為12×5/3=20。（2）價電子數相等，即最外層電子數相等（對同主族元素而言），所以能代替碳原子的金屬應是?ⅣA或?ⅣB的金屬。（3）因為最小的碳烯原子簇化合物共有20個原子，所以該金屬碳烯團簇的化學式為M₈C₁₂。（4）因為C₁₂X₂₄Y₂₄與C₆₀價電子總數相等，所以元素X、Y可以有B、N或Be、O或Li、F等多種組合。但是X、Y全是非金屬，且原子半徑X<Y，所以X是N，Y是B。顯然每個五邊形中有2個X原子，2個Y原子，1個C原子。（5）由題意知，C₈₀中一定有12個五邊形，設C₈₀中六邊形的個數為Y，則有（12×5+6Y）/3=80，所以Y=30。（6）富勒烯家族中最小碳原子數為20，所以A不正確;又因為碳原子數必為偶數，所以D也不正確。也可以利用第（5）小題的方法驗證B和C選項，其屬于富勒烯家族。(7)觀?察所給晶體結構示意圖，可知在晶體硼中，每個硼原子為5個等邊三角形所共有。因此，每個三角形中所含硼原子數目為3×,該基本結構單元中含硼原子數目為20×=12；又因為每條邊（B—B鍵）為2個三角形所共有，因此，該基本結構單元中所含B—B鍵數目為20×3×=30。若削去晶體硼結構單元中的一個頂角，則得到一個正五邊形（數學上，一個平行于正五棱錐底面的平面與正五棱錐相截，所得截面為一正五邊形）。因晶體硼結構單元中每一個頂角都為B原子所占有，晶體硼結構單元中共有12個硼原子，故一共可得12個正五邊形。另外，一個等邊三角形切去三個頂點后，得到正六邊形，因晶體硼結構單元中共有20個等邊三角形，故最終將得到20個正六邊形。