Question

【题目】碳、硅两元素广泛存在于自然界中，请回答下列问题：

（1）基态14C原子的核外存在___________对自旋方向相反的电子，硅原子的电子排布式为___________________。

（2）晶体硅的结构与金刚石非常相似。晶体硅中硅原子的杂化方式为_______杂化；金刚石、晶体硅和金刚砂（碳化硅）的熔点由高到低的顺序为_________________。

（3）科学研究结果表明，碳的氧化物CO2能够与H2O借助于太阳能制备HCOOH。其反应原理如下：2CO2+2H2O2HCOOH+O2，则生成的HCOOH分子中δ键和π键的个数比是__________。

（4）碳单质有多种形式，其中C60、石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示：

①C60、石墨烯与金刚石互为_____________。

②C60形成的晶体是分子晶体，C60分子中含有12个五边形和20个六边形，碳与碳之间既有单键又有双键，已知C60分子所含的双键数为30，则C60分子中有____个C—C键（多面体的顶点数、面数和棱边数的关系，遵循欧拉定理：顶点数+面数棱边数=2）。在石墨烯晶体中，每个C原子连接________个六元环；在金刚石晶体中，C原子所连接的最小环也为六元环，六元环中最多有________个C原子在同一平面。

③金刚石晶胞含有________个碳原子。若碳原子半径为r，金刚石晶胞的边长为a，根据硬球接触模型，则r=_____________a，列式表示碳原子在晶胞中的空间占有率为_____________（不要求计算结果）。

Answer 1

【答案】（1）2 1s22s22p63s23p2

（2）sp3 金刚石>金刚砂>晶体硅

（3）4∶1

（4）①同素异形体 ②60 3 4

③8

【解析】（1）14C原子核外的电子排布式为1s22s22p2，两个s轨道上分别有2个自旋方向相反的配对电子，根据洪特规则，另两个p电子分居在两条轨道上；硅原子的电子排布式为1s22s22p63s23p2。

（2）晶体硅的每个原子均形成了四个Si—Si键，所以硅原子经过了sp3杂化；金刚石、晶体硅和金刚砂（碳化硅）三种晶体的结构相似，均为原子晶体，根据键长可以判断三种晶体的熔点由高到低的顺序为：金刚石>金刚砂>晶体硅。

（3）HCOOH分子中有1个δCH键、1个δOH键、2个δCO键和1个πCO键，即δ键和π键的个数比是4∶1。

（4）①C60、石墨烯与金刚石为不同结构的碳单质，三者互为同素异形体。

②已知C60的顶点数为60，面数为32，由欧拉定理计算键数（即棱边数）：60+(12+20)2=90，已知该分子中含双键30个，C60分子中单键为：9030=60。在石墨烯晶体中，每个C原子连接3个六元环。由金刚石的晶体结构图可以看出，六元环中最多有4个C原子在同一平面。③由金刚石的晶胞结构可看出，碳原子位于晶胞的顶点、面心和体内，故含有的碳原子数目为×8+×6+4=8。根据硬球接触模型可知，在立方体的对角线上碳原子紧密接触，故8r=a，则r=a，8个碳原子的体积为8×πr3=8×π×(a)3=，故原子利用率为。