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）晶体硅的结构与全刚石非常相似。晶体硅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借助子太阳能制备HCOOH。其反应原理如下：2CO2+2H2O=2HCOOH+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_______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，每个C原子连接的最小环也为六元环，六元环屮最多有_______个C原子在同一平面。

③金刚石晶胞含有______个碳原子。若碳原子的半径为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】 2 1s22s22p63s23p2 sp3 金刚石>金刚砂>晶体硅 4∶1 同素异形体 60 3 4 8

【解析】（1）基态14C原子的核外电子数是6，核外电子排布式是1s22s22p2，因此存在2对自旋方向相反的电子，硅原子的核外电子数是14，其电子排布式为1s22s22p63s23p2；（2）晶体硅的结构与金刚石非常相似，金刚石是正四面体结构，则晶体硅中硅原子的杂化方式为sp3杂化；金刚石、晶体硅和金刚砂（碳化硅）均是原子晶体，原子半径是C＜Si，组成原子晶体中共价键的键长越长，键能越大，晶体的熔点越高，所熔点由高到低的顺序为金刚石>金刚砂>晶体硅；（3）科学研究结果表明，碳的氧化物CO2能够与H2O借助子太阳能制备HCOOH。其反应原理如下：2CO2+2H2O=2HCOOH+O2，

单键都是δ键，双键中含有1个δ键和1个π键，根据根据甲酸的结构简式HCOOH可知甲酸分子中δ键和π键的个数比是4∶1；（4）①C60、石墨烯与金刚石均是碳元素形成的单质，三者互为同素异形体；②由欧拉定理计算键数（即棱边数）：60+（12+20）-2=90，该分子中含双键30个，所以单键数为：90-30=60；在石墨烯晶体中，每个C原子连接3个六元环；金刚石晶胞是立方体，因此六元环屮最多有4个C原子在同一平面；③晶胞中顶点微粒数为：8×1/8=1，面心微粒数为：6×1/2=3，体内微粒数为4，共含有8个碳原子；晶胞内含有四个碳原子，则晶胞体对角线长度与四个碳原子直径相同，即，r=；碳原子的体积为：8×4/3×π×r3，晶胞体积为：a3，碳原子的空间利用率为：碳原子总体积/晶胞体积= 。