Question

【题目】党的十八大以来，我国在科技创新和重大工程建设方面取得了丰硕成果，在新时代更需要新科技创新世界。2018年3月5日,《自然》连刊两文报道石墨烯超导重大发现，第一作者均为中国科大10级少年班现年仅21岁的曹原。曹原团队在双层石墨烯中发现新的电子态,可以简单实现绝缘体到超导体的转变。石墨烯是一种由碳原子组成六角形呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料（如图甲）,石墨烯中部分碳原子被氧化后，其平面结构会发生改变，转化为氧化石墨烯（如图乙）。

（1）图乙中1号C与相邻C有无形成π键__________（填“有”、或“无”）。

（2）图甲中1号C的杂化方式________。该C与相邻C形成的键角______（填“>”、“<”或“=”）1200。

（3）我国制墨工艺是将50nm左右的石墨烯或氧化石墨烯溶于水，在相同条件下所得到的分散系后者更为稳定，其原因是____________________。

（4）石墨烯可转化为富勒烯（C60）,某金属M与C60可制备一种低温超导材料，晶胞如图丙所示，M原子位于晶胞的棱心与内部。该晶胞中M原子的个数为______________,该材料的化学式为_______________。

（5）金刚石与石墨都是碳的同素异形体。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,金刚石晶胞中碳原子的空间占有率为___________（用含π的代数式表示）。

（6）一定条件下,CH4、CO2都能与H2O形成笼状结构（如下图所示）的水合物晶体,其相关参数见下表。CH4与H2O形成的水合物晶体俗称“可燃冰”。

①“可燃冰”中分子间存在的2种作用力是_________；

②有科学家提出用CO2置换CH4的设想。已知上图中笼状结构的空腔直径为0.586nm,结合图表从物质结构及性质的角度分析,该设想能否实现：________ （填“能”、或“否”）。

可燃冰与二氧化碳替换的水合物的熔点较高的是_________。

参数 分子	分子直径/nm	分子与H2O的结合能E/（kJ·mol-1）
CH4	0.436	16.40
CO2	0.512	29.91

Answer 1

【答案】无 sp2 = 氧化石墨烯可与水形成氢键更稳定 12 M3C60 π×100% 氢键、范德华力 能 二氧化碳替换的水合物

【解析】

（1）图乙中，1号碳原子形成4个共价单键；

（2）每个C原子要形成4个共价键，根据图知，每个C原子形成2个共价单键、1个共价双键，共价单键为σ键、共价双键中1个是σ键、1个是π键；

（3）氧化石墨烯粒可与水分子形成氢键，稳定性增强；

（4）M原子位于晶胞的棱上与内部，C60分子位于顶点和面心，利用均摊法确定M原子和C60分子的个数比，从而确定化学式；

（5）根据空间占有率=×100%计算；

（6）①可燃冰中存在水分子，水分子中存在分子间作用力和氢键；

②依据表格得出二氧化碳的分子直径小于0.586nm，且与水的结合能力为29.91大于16.40。

（1）图乙中，1号碳原子形成4个共价单键，所以其价层电子对个数是4,图乙中1号C与相邻C没有形成π键，故答案为：无；

（2）每个C原子要形成4个共价键，根据图知，每个C原子形成2个共价单键、1个共价双键，共价单键为σ键、共价双键中1个是σ键、1个是π键；图甲中1号C的杂化方式sp2。该C与相邻C形成的键角=1200。故答案为： sp2 ；=；

（3）氧化石墨烯粒可与水分子形成氢键，而石墨烯不能，形成氢键使稳定性增强，

故答案为：氧化石墨烯可与水分子形成分子间氢键而石墨烯不能；

（4）如图M原子位于晶胞的棱上与内部，棱上有12个M，内部有9个M，其个数为12× +9=12，C60分子位于顶点和面心，C60分子的个数为8×+6×=4，M原子和C60分子的个数比为3：1，则该材料的化学式为M3C60，

故答案为：12；M3C60

（5）金刚石晶胞如图，该晶胞中C原子个数4+8×+6×=8，金刚石体对角线上的四个原子紧密相连，晶胞棱长a=r，晶胞体积=a3，所有原子体积=πr3×8，空间占有率=×100%=×100%=π×100% ，

故答案为：π×100% ；

（6）①CH4与H2O形成的水合物俗称“可燃冰”，分子晶体中作用力是范德华力，水分子之间存在氢键，

故答案为：氢键、范德华力；

②由表格可知：二氧化碳的分子直径小于笼状结构的空腔直径，即0.512＜0.586，能顺利进入笼状空腔内，且二氧化碳与水的结合能力强于甲烷，即29.91＞16.40，二氧化碳替换的水合物的相对分子质量大，熔较高；

故答案为：能；二氧化碳替换的水合物。