Question

2．储氢合金是利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢储存起来．MgH₂，LaNi₅，MmNiMnK（Mm代表混合稀土）等是几类常见的储氢材料．近期，最新研究发现，在镍的表面覆盖石墨烯（如图所示），可以大大增加储氢材料释放氢气的速率．已知：石墨烯是一种有单层碳原子组成的平面结构，具有良好的导电、导热性．回答下列问题：
（1）Mn的价电子排布式为3d⁵4S²，据此可判断Mn元素在元素周期表中处于d区．
（2）①石墨烯中碳原子的杂化方式为sp²，据此说明石墨烯具有良好导电性的原因是每个碳原子有一个未参与杂化的p轨道垂直于碳原子平面，所有p轨道相互平行重叠，使p轨道中的电子可以在整个平面内运动．
②Si是与C相邻的同主族元素，据原子结构分析并预测，Si能否形成类似石墨烯的稳定结构？不能．请说明理由：Si的原子半径比C大，形成的σ键较长，p-p轨道重叠较小，不能形成稳定的键．
（3）碳与氢能形成乙烷、乙烯、乙炔等多种有机物．巳知，在相同条件下，乙烯，乙炔易与氢气加成，最终生成乙烷．
①乙烷的二溴代物中无 （填“有”或“无”）手性分子．
②从共价键的形成过程说明乙烯比乙烷活泼的原因：乙烯中形成的π键不如σ键牢固，容易断裂．
（4）Ni晶体中微粒之间的作用力为金属键．Ni的晶胞棋型与铜、银、金相同，用Ni的微粒半径（r_Ni）列出Ni晶体的空间占有率的表达式：$\frac{4×\frac{4}{3}π}{（2\sqrt{2}）^{3}}$×100%．

Answer 1

分析 （1）Mn为25号元素，原子核中有25个质子，核外有25个电子，分别位于4个电子层，价电子有7个，其中有5个位于3d轨道上，2个位于4s轨道上，据此书写价电子排布式；Mn最后填充3d电子，为d区元素；
（2）①石墨烯中每个碳原子形成3σ键，杂化方式为sp²杂化；据有自由移动的电子来分析；
②Si的原子半径比C大，故形成的σ键较长，p-p轨道重叠较小，Si故不能形成稳定的键；
（3）①手性碳原子所连接的四个基团要是不同的；
②据乙烯中形成的π键不如σ键牢固，容易断裂来分析；
（4）据晶体类型来判断；计算Ni原子的总体积与晶胞总体积的比值．

解答 解：（1）Mn核外25个电子分别位于1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s轨道，电子排布式为：[Ar]3d⁵4S²，价电子有7个分别位于3d、4S两个轨道上，价电子排布式为3d⁵4S²；最后填充3d电子，为d区元素，
故答案为：3d⁵4S²；d；
（2）①石墨烯中每个碳原子形成3σ键，杂化方式为sp²杂化；石墨烯具有良好导电性的原因是每个碳原子有一个未参与杂化的p轨道垂直于碳原子平面，所有p轨道相互平行重叠，使p轨道中的电子可以在整个平面内运动，
故答案为：sp²；每个碳原子有一个未参与杂化的p轨道垂直于碳原子平面，所有p轨道相互平行重叠，使p轨道中的电子可以在整个平面内运动；
②Si的原子半径比C大，故形成的σ键较长，p-p轨道重叠较小，故Si不能形成类似石墨烯的稳定结构，
故答案为：不能；Si的原子半径比C大，形成的σ键较长，p-p轨道重叠较小，不能形成稳定的键；
（3）①手性碳原子所连接的四个基团要是不同的，故乙烷的二溴代物中无手性分子，
故答案为：无；
②乙烯比乙烷活泼的原因是乙烯中形成的π键不如σ键牢固，容易断裂，
故答案为：乙烯中形成的π键不如σ键牢固，容易断裂；
（4）Ni金属晶体为，故微粒之间的作用力为金属键；该晶胞为面心立方最密堆积，则晶胞面对角线为金原子半径的4倍，金原子半径为r，晶胞的边长为4r×$\frac{\sqrt{2}}{2}$=2$\sqrt{2}$rr，每个Ni晶胞中含有4个原子，则Ni原子总体积为4×$\frac{4}{3}$πr³，晶胞体积为（2$\sqrt{2}$r）³，故空间利用率为$\frac{4×\frac{4}{3}π{r}^{3}}{（2\sqrt{2}r）^{3}}$×100%=$\frac{4×\frac{4}{3}π}{（2\sqrt{2}）^{3}}$×100%；
故答案为：金属键；$\frac{4×\frac{4}{3}π}{（2\sqrt{2}）^{3}}$×100%．

点评 本题考查价电子排布式，导电性原理，化学键的稳定性，手性分子以及空间利用率的计算等，题目难度中等．