Question

10．碳元素是形成单质及其化合物种类最多的元素．回答下列有关问题．

（1）碳元素可形成多种不同形式的单质，图1是几种单质的结构图，观察上述结构，判断a中碳原子的杂化方式为sp²，b对应的物质是金刚石，c是C₆₀的分子结构模型，在每个C₆₀分子中形成的σ键数目为90．
（2）在C₆₀单质中，微粒之间的作用力为分子间作用力，C₆₀能与金属钾化合生成具有超导性的K₃C₆₀，在K₃C₆₀中阴阳离子个数比为1：3，则K₃C₆₀属于离子晶体．
（3）CO是碳元素的常见氧化物，分子中C原子上有一对孤对电子，与N₂互为等电子体，则CO的结构式为C≡O；写出另一与CO互为等电子体的化学式CN^-．
（4）CO可以和很多过渡金属形成配合物．金属镍粉在CO气流中轻微地加热，可生成液态的Ni（CO）₄，用配位键表示Ni（CO）₄ 的结构为；写出基态Ni原子的电子排布式1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s²．
（5）科学发现，C和Ni、Mg元素的原子形成的晶体也具有超导性，其晶胞的结构特点如图2，则该化合物的化学式为MgNi₃N；C、Ni、Mg三种元素中，电负性最大的是C．
（6）碳的氢化物甲烷在自然界中广泛存在，其中可燃冰是有待人类开发的新能源．可燃冰是一种笼状结构，CH₄分子存在于H₂O分子形成的笼子中（如图3所示）．两种分子中，共价键的键能H-O键＞C-H键；CH₄分子与H₂O分子的分子量相差不大，但两种物质的熔沸点相差很大，其主要原因是H₂O分子之间形成氢键．

Answer 1

分析 （1）a为石墨，每个C原子价层电子对个数是3，根据价层电子对互斥理论判断C原子杂化类型，b为正四面体结构，则对应的物质是金刚石，c是C₆₀的分子结构模型，平均每个C形成1.5个σ键；
（2）C₆₀单质为分子晶体，微粒之间的作用力为分子间作用力，C₆₀能与金属钾化合生成具有超导性的K₃C₆₀，在K₃C₆₀中阴阳离子个数比为1：3，则K₃C₆₀属于离子晶体；
（3）CO分子中C原子上有一对孤对电子，C、O原子都符合8电子稳定结构，则C、O之间为三键；等电子体中原子数和价电子数都相同；
（4）根据配合物Ni（CO）₄的Ni为中心原子，CO为配体表示Ni（CO）₄ 的结构，Ni元素是28号元素，根据核外电子排布规律书写基态原子的电子排布式；
（5）根据均摊法计算晶胞中各原子数目，进而确定化学式；电负性最大的即非金属性最强；
（6）根据键长越短键能越大判断；H₂O分子间形成氢键．

解答 解：（1）a为石墨，每个C原子价层电子对个数是3，根据价层电子对互斥理论知C原子杂化类型为sp²；b为正四面体结构，则对应的物质是金刚石，c是C₆₀的分子结构模型，平均每个C形成1.5个σ键，所以在每个C₆₀分子中形成的σ键数目为60×1.5=90；
故答案为：sp²；金刚石； 90；
（2）C₆₀单质为分子晶体，微粒之间的作用力为分子间作用力，C₆₀能与金属钾化合生成具有超导性的K₃C₆₀，在K₃C₆₀中阴阳离子个数比为1：3，则K₃C₆₀属于离子晶体；故答案为：分子间作用力； 离子；
（3）CO分子中C原子上有一对孤对电子，C、O原子都符合8电子稳定结构，则CO的结构式为C≡O，等电子体中原子数和价电子数都相同，则 N₂、CN^-、CO的原子数都是2，价电子数都是10，则互为等电子体，故答案为：C≡O；CN^-；
（4）配合物Ni（CO）₄的Ni为中心原子，CO为配体，所以表示Ni（CO）₄ 的结构为；Ni元素是28号元素，位于第四周期第Ⅷ族，其基态原子的电子排布式1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s²，故答案为：，1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s²；

（5）晶胞中N原子数目为1、Mg原子数目为8×$\frac{1}{8}$=1、Ni原子数目为6×$\frac{1}{2}$=3，故该晶体化学式为MgNi₃N，电负性最大的即非金属性最强，所以C、Ni、Mg三种元素中，电负性最大的是C，故答案为：MgNi₃N；MgCNi₃；C；
（6）因为键长越短键能越大，又O的半径小于C，所以共价键的键能H-O键＞C-H键；又H₂O分子间形成氢键，所以CH₄分子与H₂O分子的分子量相差不大，但两种物质的熔沸点相差很大；故答案为：＞；H₂O分子之间形成氢键．

点评 本题是对物质结构的考查，涉及元素周期表、晶胞计算、分子结构、杂化轨道、配合物等，难度中等，需要学生具备扎实的基础．