Question

下图分别是金刚石、石墨、足球烯和碳纳米管的结构示意图．图中小黑点或小黑圈均代表碳原子．

（1）四种物质互称为

 

．写出碳原子的基态电子排布图

 

．
（2）试比较：第一电离能I₁（C）、I₁（N）、I₁（O）由大到小的顺序为

 

．
（3）石墨中存在的作用力有

 

．
A：σ键    B：π键    C：氢键    D：配位键    E：分子间作用力
石墨中碳原子采取的杂化方式是

 

．
（4）仔细观察图A金刚石结构，有人从中找出它的晶胞结构是碳原子位于立方体的所有顶点及面心处，将立方体切割成8个小立方体，在其中4个互不相邻的立方体体心各有一个碳原子．请画出一个晶胞结构示意图．若金刚石的密度为ρg?cm^-3，试计算碳原子的半径为

 

cm．

Answer 1

考点：晶胞的计算,元素电离能、电负性的含义及应用,原子轨道杂化方式及杂化类型判断

专题：

分析：（1）金刚石、石墨、足球烯和碳纳米管都是碳的单质，根据结构示意图可以看出它们结构都不同，据此判断；碳是6号元素，根据构造原理可写出基态电子排布图；
（2）根据元素周期律可判断第一电离能；
（3）根据石墨的结构可判存在的作用力，及碳的杂化方式；
（4）根据图A及题目中的描述，可画出示意图，根据金刚石的密度及摩尔质量算出金刚石晶胞的体积，再根据晶胞中碳原子的分布情况，计算出碳原子半径．

解答： 解：（1）金刚石、石墨、足球烯和碳纳米管都是碳的单质，根据结构示意图可以看出它们结构都不同，所以它们是互为同素异形体，碳是6号元素，根据构造原理可知碳的基态电子排布图为：，
故答案为：同素异形体；；
（2）根据元素周期律可知同周期元素从左向右第一电离能逐渐增大，但由于第ⅡA族和第ⅤA族元素原子最外层是稳定结构，它们都比后面一族同周期元素的第一电离能要大，所以I₁（N）＞I₁（O）＞I₁（C），故答案为：I₁（N）＞I₁（O）＞I₁（C）；
（3）石墨是层状结构，在同一层内碳与碳之间形成C-C单键，是σ键，而在层与层之间是通过分子间作用力相结合，所以石墨中存在的作用力是σ键和分子间作用于，故选AE，在层内每个碳与周围三个碳形成共价键，所以碳的杂化方式为sp³，故答案为：AE；sp³；
（4）根据图A及题目中的描述，可画出示意图为：，根据金刚石晶胞的结构图可知，金刚石晶胞是面心立方堆积完之后还在四个四面体里有原子，也就是说在金刚石晶胞的体对角线上连排了四个原子，并且相切，所以体对角线长度就是碳原子半径的8倍，设晶胞边长为a，碳原子的半径为r，即

3

a=8r，
∵碳原子的质量=

12

NA

    又∵每个晶胞中含有碳原子个数=4+8×

1

8

+6×

1

2

=8    由ρ=

8× 12 NA

a3

，得a=2×

3	12 ρNA

，∵

3

a=8r，∴r=

3

8

a=

3

4

×

3	12 ρNA

，
故答案为：

3

4

×

3	12 ρNA

．

点评：本题考查了同素异形体、核外电子排布、第一电离能、杂化方式等、晶胞的结构和计算等，前面三小问难度较小，属于基础内容，第四小问要求较高，要学生能充分利用晶体结构结合立全几何的知识解决问题，对学生的空间想象力要求较高，有一定的难度．