题目内容

【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)图乙中1号C与相邻C有无形成π键__________(填“有”、或“无”)。

(2)图甲中1号C的杂化方式________。该C与相邻C形成的键角______(填“>”、“<”或“=”)1200。

(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___________(用含π的代数式表示)。

(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,该设想能否实现:________ (填“能”、或“否”)。

可燃冰与二氧化碳替换的水合物的熔点较高的是_________。

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】无 sp2 = 氧化石墨烯可与水形成氢键更稳定 12 M3C60 π×100% 氢键、范德华力 能 二氧化碳替换的水合物

【解析】

(1)图乙中,1号碳原子形成4个共价单键;

(2)每个C原子要形成4个共价键,根据图知,每个C原子形成2个共价单键、1个共价双键,共价单键为σ键、共价双键中1个是σ键、1个是π键;

(3)氧化石墨烯粒可与水分子形成氢键,稳定性增强;

(4)M原子位于晶胞的棱上与内部,C60分子位于顶点和面心,利用均摊法确定M原子和C60分子的个数比,从而确定化学式;

(5)根据空间占有率=×100%计算;

(6)①可燃冰中存在水分子,水分子中存在分子间作用力和氢键;

②依据表格得出二氧化碳的分子直径小于0.586nm,且与水的结合能力为29.91大于16.40。

(1)图乙中,1号碳原子形成4个共价单键,所以其价层电子对个数是4,图乙中1号C与相邻C没有形成π键,故答案为:无;

(2)每个C原子要形成4个共价键,根据图知,每个C原子形成2个共价单键、1个共价双键,共价单键为σ键、共价双键中1个是σ键、1个是π键;图甲中1号C的杂化方式sp2。该C与相邻C形成的键角=1200。故答案为: sp2 ;=;

(3)氧化石墨烯粒可与水分子形成氢键,而石墨烯不能,形成氢键使稳定性增强,

故答案为:氧化石墨烯可与水分子形成分子间氢键而石墨烯不能;

(4)如图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)金刚石晶胞如图,该晶胞中C原子个数4+8×+6×=8,金刚石体对角线上的四个原子紧密相连,晶胞棱长a=r,晶胞体积=a3,所有原子体积=πr3×8,空间占有率=×100%=×100%=π×100% ,

故答案为:π×100% ;

(6)①CH4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,

故答案为: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>16.40,二氧化碳替换的水合物的相对分子质量大,熔较高;

故答案为:能;二氧化碳替换的水合物。

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