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)图甲中,1号C与相邻C形成σ键的个数为__________。

(2)图乙中,1号C的杂化方式是__________,该C与相邻C形成的键角__________(填“>”、“<”或“=”)图甲中1号C与相邻C形成的键角。

(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___________。

(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为开采深海海底的“可燃冰",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,该设想的依据是：___________________。

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】 3 sp3 ＜ 氧化石墨烯可与水形成氢键更稳定 12 M3C60 ×100% (或34%) 氢键、范德华力 CO2的分子直径小于笼状结构空腔直径,且CO2与水的结合能大于CH4与水的结合能

【解析】（1）由图可知，甲中，1号C与相邻C形成3个CC键，形成σ键的个数为3，故答案为：3；

(2)图乙中,1号C形成3个CC及1个CO键,C原子以sp3杂化,为四面体构型,而石墨烯中的C原子杂化方式均为sp2,为平面结构,则图乙中C与相邻C形成的键角<图甲中1号C与相邻C形成的键角,故答案为：sp3；<；

（3）水中的O电负性较强，吸引电子能力的强，易与氧化石墨烯中的OH上的H形成氢键，氧化石墨烯中O与水中的H形成氢键，因此在相同条件下所得到的分散系后者更为稳定。答案为：氧化石墨烯可与水形成氢键更稳定

（4）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）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，则正方体对角线的就是C-C键的键长，即 a=2r，所以r=a，碳原子在晶胞中的空间占有率。答案为：×100%（或34%）

(6) ① CH4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，故答案为：①氢键、范德华力②CO2的分子直径小于笼状结构空腔直径,且CO2与水的结合能大于CH4与水的结合能