Question

能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力．
（1）太阳能热水器中常使用一种以镍或镍合金空心球为吸收剂的太阳能吸热涂层，写出基态镍原子的外围电子排布式

 

，它位于周期表

 

区．
（2）1985年，科学家发现的C₆₀分子是由60个碳原子构成的，它的形状像足球（图3），因此又叫足球烯．足球烯衍生物由于具有良好的光电性能，在太阳能电池的应用上具有非常光明的前途．1991年科学家又发现一种碳的单质--碳纳米管，它是由六边环形的碳原子构成的管状大分子（图4）．图1、图2分别是金刚石和石墨的结构示意图，图中小黑点或小黑圈均代表碳原子．
①在金刚石的网状结构中，含有共价键形成的碳原子环，其中最小的环上有

 

（填数字）个碳原子，每个碳原子上的任两个C-C键的夹角都是

 

（填角度）．如果C-C键的键能是ωkJ/mol，则将12g金刚石碳碳键完全破坏掉需要的能量

 

kJ．
②由图5石墨的晶体结构俯视图可推算在石墨晶体中，每个正六边形平均
所占有的C原子数与C-C键数之比为

 

．
③足球烯（C₆₀）分子中碳原子轨道的杂化类型为

 

；1molC₆₀分子中σ键的数目为

 

个．
④金刚石、石墨、足球烯和碳纳米管物理性质存在较大差异的原因是：

 

．常温下足球烯和碳纳米管的化学性质比金刚石和石墨

 

（填“活泼”或“一样”）理由是：

 

．
⑤燃氢汽车之所以尚未大面积推广除较经济的制氢方法尚未完全解决外，制得H₂后还需解决贮存问题，在上述四种碳单质中有可能成为贮氢材料的是：

 

．

Answer 1

考点：晶胞的计算,原子核外电子排布

专题：

分析：（1）28号元素镍，核外有28个电子，根据构造原理写出其基态镍原子的核外电子排布式的简化形式；根据价电子排布式判断所在分区；
（2）①根据教材图象分析最小的环上碳原子个数；根据碳原子与其周围的碳原子形成的结构判断夹角；根据12g金刚石含有碳碳键数目判断所需能量；
②根据均摊法计算碳原子数和碳碳键数目；
③根据每个碳原子含有的σ键个数确定其杂化方式，利用均摊法计算σ键个数；
④由图可知：金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管物理性质有较大差异的原因；根据碳的原子结构推测，常温下足球烯和纳米碳管的化学性质．并请你设计一个“在充满氧气的密闭容器里使之燃烧”的实验方案，证明足球烯和碳纳米管都是由碳元素组成的单质；
⑤根据以上各物质的空间结构考虑．

解答： 解：（1）28号元素镍，核外有28个电子，根据构造原理知其基态镍原子的核外电子排布式的简化形式为：[Ar]3d⁸4s²；价电子排布式为：3d⁸4s²，电子最后排在d轨道，元素排在d区，故答案为：[Ar]3d⁸4s²；d；
（2）①金刚石是原子晶体，在原子晶体里，原子间以共价键相互结合，形成三维的空间网状结构；在金刚石晶体里，每个碳原子以四个共价键对称的与相邻的4个碳原子结合，碳原子采取sp³杂化方式形成共价键，所以碳原子与其周围的4个碳原子形成正四面体结构，所以夹角是 109°28′；每条碳碳键被两个碳原子共有，每个碳原子可形成四条键，所以碳碳键物质的量=

12g

12g/mol

×4×

1

2

=2mol，C-C键的键能是ωkJ/mol，所需能量=2mol×ωkJ/mol=2ωkJ/mol，
故答案为：6；109°28′；2ωkJ/mol；
②每个碳原子被三个碳环共有，每个碳环含有碳原子数为：6×

1

3

=2，；每条碳碳双键被两个碳环共有，每个碳环含有6×

1

2

=3条碳碳键，C原子数与C-C键数之比为2：3，故答案为：2：3；
③每个碳原子含有的σ键个数且不含孤电子对，所以采用sp² 杂化，每个碳原子含有的σ键个数为，所以1mol C₆₀分子中σ键的数目=

3

2

×60×N_A=90N_A，
故答案为：sp²；90N_A；
④金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管物理性质有较大差异，性质是由结构决定的；根据题目给出的结构图，可知碳原子排列不同，导致了物理性质有较大差异；根据碳的原子结构推测，常温下足球烯和纳米碳管的化学性质不活泼，因为它们均是由碳原子构成的单质，碳原子的最外层为4个电子，常温下不易得失电子，化学性质是由原子最外层电子数决定，故答案为：碳原子排列不同；一样；因为它们均是由碳原子构成的单质，碳原子的最外层为4个电子，常温下不易得失电子；
⑤由于碳纳米管表面积大，可以用作贮氢材料，故答案为：碳纳米管．

点评：本题考查物质结构性质，以碳元素的四种单质的空间结构图为中心命题点，综合了物质结构中相应的知识点，解决此题应具备一定的处理信息和空间想象能力．