题目内容
【题目】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 |
【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】分析:本题对物质结构知识的综合考察。主要涉及到分子中σ键数目的计算、氢键、分子间作用力等基础知识;根据中心原子价层电子对数就可以判定中心碳原子杂化方式,对于金刚石晶胞,体对角线与碳原子半径之间的关系为r= ,就能够解答出金刚石晶胞中碳原子的空间占有率。
详解:(1)图甲中,与1号碳相连的碳原子数为3,所以1号碳与相邻碳形成σ键的个数为3;正确答案:3。
(2)图乙中,1号碳与相邻的3个碳和1个氧相连,形成4个σ键,杂化方式为sp3 ;图乙中1号碳与相邻碳形成立体结构,而图甲中1号碳与相连碳构成的为平面结构,所以图乙中1号碳与相邻碳形成的键角要小;正确答案:sp3 ;<。
(3) 由于氧化石墨烯可与水形成氢键更稳定,所以将50nm左右的石墨烯或氧体对角线的长度为碳原子半径的化石墨烯溶于水,在相同条件下所得到的分散系氧化石墨烯更为稳定;正确答案:氧化石墨烯可与水形成氢键更稳定。
(4) 该晶胞中M的原子个数为12×1/4+9=12;该晶胞中C60的个数为8×1/8+6×1/2=4,所以该材料的化学式为M3C60;正确答案:12;M3C60。
(5)金刚石晶胞中含有碳原子数为8×1/8+6×1/2+4=8,金刚石不是紧密堆积结构,设体心有一个球,半径为r cm,沿体对角线方向有5个球,体对角线距离为8r=a×√3, r= ,原子的体积V(原子)=
×8=32πr3/3,晶胞的体积 V(晶胞)= a3=(
)3,空间占有率= V(原子)/ V(晶胞)=
=
×100%;正确答案:
×100% (或34%)。
(6)①CH4与形成的水合物俗称“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;正确答案: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;正确答案: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与水的结合能力。
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