题目内容

13．碳及其化合物在自然界中广泛存在．
（1）基态碳原子的价电子排布图可表示为．第四周期与其有相同未成对电子数的过渡金属有Ti、Ni（填元素符号）
（2）第一电离能：C、N、O、F四种元素由大到小顺序F＞N＞O＞C，原因是非金属性F、O、N、C依次减弱，但N由于P亚层半充满结构的稳定性，其第一电离能反而比O大，HCN、NF3分子构型分别是直线形和三角锥形．
（3）冰晶胞中水分子的空间排列方式与金刚石晶胞类似．每个冰晶胞平均占有8个水分子，冰晶胞与金刚石晶胞排列方式相同的原因是水中的O和金刚石中的C都是sp3杂化，且水分子间的氢键具有方向性，每个水分子可与相邻的4个水分子形成4个氢键．
（4）C60的晶体中，分子为面心立方堆积，已知晶胞中C60分子中心间的最短距离为dcm，可计算C60晶体的密度为$\frac{720\sqrt{2}}{d{\;}^{3}N{\;}_{A}}$g/cm3．
（5）请写出一个反应方程式以表达出反应前碳原子的杂化方式为sp2，反应后变为sp3：CH2═CH2+Br2→BrCH2CH2Br．

分析 （1）碳原子核外有6个电子，最外层4个，根据构造原理、泡利原理和洪特规则可写出基态碳原子的价电子排布图，则未成对电子数为2，所以第四周期未成对电子数为2的过渡金属价电子为3d24s2，3d84s2；
（2）同一周期元素中，元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势，但第IIA族、第VA族元素的第一电离能大于相邻元素；根据价层电子对互斥理论确定HCN、NF3分子的空间构型，价层电子对个数=σ键个数+孤电子对个数，据此分析解答；
（3）利用均摊法确定每个冰晶胞含有的水分子个数，根据氧原子和碳原子的杂化方式分析；
（4）晶胞中C60分子间的最短距离为d cm，则棱长为$\sqrt{2}$dcm，晶胞的体积=2$\sqrt{2}$d3cm3，该晶胞中C60分子个数=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，再结合ρV=m计算；
（5）sp2杂化的碳为形成双键碳原子，sp3杂化的碳为形成单键碳原子，可以是乙烯与Br2、H2、HX、H2O等的加成反应．

解答 解：（1）碳原子核外有6个电子，最外层4个，根据构造原理、泡利原理和洪特规则可写出基态碳原子的价电子排布图，未成对电子数为2，所以第四周期未成对电子数为2的过渡金属有3d24s2，3d84s2，即Ti和Ni，故答案为：； Ti、Ni；
（2）同一周期元素中，元素的第一电离能随着原子序数的增大而呈增大趋势，但第IIA族、第VA族元素的第一电离能大于相邻元素，这几种元素都是第二周期元素，非金属性F、O、N、C依次减弱，但N由于P亚层半充满结构的稳定性，其第一电离能反而比O大，所以它们的第一电离能大小顺序是F＞N＞O＞C；HCN的结构为H-C≡N，C原子的价层电子对数为2，不含有孤电子对，为直线形；NF3分子中N原子的价层电子对个数=3+$\frac{1}{2}$×（5-3×1）=4，含有1对孤电子对，所以其空间构型为三角锥形，
故答案为：F＞N＞O＞C；非金属性F、O、N、C依次减弱，但N由于P亚层半充满结构的稳定性，其第一电离能反而比O大；直线形和三角锥形；
（3）每个冰晶胞平均占有分子个数=4+8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=8，H2O的氧原子中含有2个σ键和2个孤电子对，金刚石中每个碳原子含有4个σ键且没有孤电子对，所以水中的O和金刚石中的C都是sp3杂化，且水分子间的氢键具有方向性，每个水分子中一个氧原子可以和另外2个水分子中的氢原子形成2个氢键，2个氢原子可以和另外2个水分子中的氧原子形成氢键，所以每个水分子可与相邻的4个水分子形成4个氢键，导致冰晶胞与金刚石晶胞微粒排列方式相似，
故答案为：8；水中的O和金刚石中的C都是sp3杂化，且水分子间的氢键具有方向性，每个水分子可与相邻的4个水分子形成4个氢键；
（4）晶胞中C60分子间的最短距离为d cm，则棱长为$\sqrt{2}$dcm，晶胞的体积=2$\sqrt{2}$d3cm3，该晶胞中C60分子个数=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，ρ=$\frac{m}{V}$=$\frac{n•M}{V}$=$\frac{\frac{N}{N{\;}_{A}}•M}{V}$=$\frac{N•M}{V•N{\;}_{A}}$=$\frac{4×720}{2\sqrt{2}d{\;}^{3}•N{\;}_{A}}$=$\frac{720\sqrt{2}}{d{\;}^{3}N{\;}_{A}}$g/cm3，故答案为：$\frac{720\sqrt{2}}{d{\;}^{3}N{\;}_{A}}$；
（5）sp2杂化的碳为形成双键碳原子，sp3杂化的碳为形成单键碳原子，可以是乙烯与Br2、H2、HX、H2O等的加成反应，如CH2═CH2+Br2→BrCH2CH2Br，故答案为：CH2═CH2+Br2→BrCH2CH2Br．

点评 本题考查物质结构和性质，考查考生对原子、分子、晶体结构和性质的理解能力，难度较大．

练习册系列答案
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回答下列问题：
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（3）上述①～⑦反应中属于加成反应的是②⑤；
（4）写出下列化学方程式：⑦：2CH3COOH+CH3CHOHCH2OH$→_{△}^{浓硫酸}$CH3COOCH（CH3）CH2OOCCH3+2H2O．H→PMAA：．
（5）G在有浓硫酸并加热的条件下，除了生成H外，还可能生成一种分子内有一个六元环的有机物I，I的结构简式为．
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（4）加热条件下，B单质与C单质的反应产物中含有化学键的名称是离子键、共价键，该产物溶于水发生反应的化学方程式2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑立即向溶液中滴加酚酞溶液，观察到溶液颜色先变红后褪色
（5）D的单质能与C元素最高价氧化物对应水化物的溶液反应生成无色气体，该反应氧化剂与还原剂的物质的量之比为3：1．
8．下列说法不正确的是（　　）
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D．泡沫灭火器中用硫酸铝与饱和小苏打溶液反应，与盐类的水解知识无关
18．水是一种重要的自然资源，是人类赖以生存不可缺少的物质．水质优劣直接影响人体健康．请回答下列问题：
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（2）检验蒸馏水的纯度时，最简单易行的方法是测定水的电导率或电阻率．
（3）水的净化与软化的区别是：水的净化是用混凝剂（如明矾等）使水中胶体及悬浮物沉淀下来，而水的软化是除去水中的Ca2+和Mg2+．
（4）通过施加一定压力使水分子透过半透膜而将大分子或离子截留，从而使水得以净化的方法称为反渗透法；电渗析法净化水时，使离子通过半透膜的推动力是电场力或电势差．
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要软化10m3这种天然水，需先加入Ca（OH）2740g，再加入Na2CO31484g．
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