Question

11．石墨烯[如图（a）所示]是一种由单层碳原子构成的平面结构新型碳材料，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（b）所示]．

（1）图（a）中，1号C与相邻C形成σ键的个数为3．
（2）图（b）中，1号C的杂化方式是sp³，该C与相邻C形成的键角＜（填“＞”“＜”或“=”）  图（a）中1号C与相邻C形成的键角．
（3）若将图（b）所示的氧化石墨烯分散在H₂O中，则氧化石墨烯中可与H₂O形成氢键的原子有O、H（填元素符号）．
（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（c）所示，M原子位于晶胞的棱上与内部．该材料的化学式为M₃C₆₀．
（5）碳的一种同素异形体--C₆₀，又名足球烯，是一种高度对称的球碳分子．立方烷（分子式：C₈H₈，结构是立方体：（）是比C₆₀约早20年合成出的一种对称型烃类分子，而现如今已合成出一种立方烷与C₆₀的复合型分子晶体，该晶体的晶胞结构如图（d）所示，立方烷分子填充在原C₆₀晶体的分子间空隙中．则该复合型分子晶体的组成用二者的分子式可表示为C₈H₈．C₆₀

（6）碳的另一种同素异形体--石墨，其晶体结构如图（e）所示，虚线勾勒出的是其晶胞．则石墨晶胞含碳原子个数为4个．已知石墨的密度为ρg．cm^-3，C-C键长为rcm，阿伏伽德罗常数的值为N_A，计算石墨晶体的层间距为$\frac{\sqrt{3}}{16}$ρN_Ar²cm．

Answer 1

分析 （1）石墨烯中每个C原子和相邻3个碳原子形成3个σ键；
（2）氧化石墨烯中每个C原子形成4个σ键，价层电子对个数是4，根据价层电子对互斥理论判断C原子杂化方式；乙中每个碳原子和3个C、1个O原子形成四面体结构，甲中每个C原子和相邻3个碳原子形成平面结构；
（3）乙中含有羟基、羧基，O、H原子可以分别与水中H原子、O原子形成羟基；
（4）根据均摊法计算晶胞中M原子数目、C₆₀个数，进而确定化学式；
（5）根据均摊法计算晶胞中C₆₀数目，立方烷分子填充在原C₆₀晶体的分子间空隙中，根据晶胞中C₆₀数目确定立方烷数目，进而确定化学式；
（6）根据均摊法计算石墨晶胞中C原子数目，石墨的晶胞结构为，设晶胞的底边长为acm，晶胞的高为h cm，层间距为d cm，则h=2d，底面图为，则$\frac{a}{2}$=r×sin60°，可得a=$\sqrt{3}$r，再计算底面面积，根据均摊法计算晶胞质量，结合ρ=$\frac{m}{{a}^{2}sin60°×2d}$计算

解答 解：（1）由图可知，甲中1号C与相邻C形成3个C-C键，形成σ键的个数为3，故答案为：3；
（2）图乙中，1号C形成3个C-C及1个C-O键，C原子以sp³杂化，为四面体构型，而石墨烯中的C原子杂化方式均为sp²，为平面结构，则图乙中C与相邻C形成的键角＜图甲中1号C与相邻C形成的键角，故答案为：sp³；＜；
（3）乙中含有羟基、羧基，O、H原子可以分别与水中H原子、O原子形成羟基，故答案为：O、H；
（4）晶胞中，M原子个数=8+12×$\frac{1}{4}$+1=12、C₆₀个数=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，则C₆₀与M原子个数之比=4：12=1：3，其化学式为 M₃C₆₀，故答案为：M₃C₆₀；
（5）晶胞中C₆₀数目为8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，立方烷分子填充在原C₆₀晶体的分子间空隙中，晶胞中立方烷数目为4，则化学式为C₈H₈．C₆₀，故答案为：C₈H₈．C₆₀；

（6）由图可知石墨的晶胞结构为，设晶胞的底边长为acm，晶胞的高为h cm，层间距为d cm，则h=2d，底面图为，则$\frac{a}{2}$=r×sin60°，可得a=$\sqrt{3}$r，则底面面积为（$\sqrt{3}$r）²×Sin60°，晶胞中C原子数目为1+2×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$+4×$\frac{1}{4}$=4，晶胞质量为$\frac{4×12}{{N}_{A}}$g，则：
ρg．cm^-3=$\frac{4×12}{{N}_{A}}$g÷[（$\sqrt{3}$r）²×Sin60°×2d]cm³，整理可得d=$\frac{\sqrt{3}}{16}$ρN_Ar²，
故答案为：4；$\frac{\sqrt{3}}{16}$ρN_Ar²．

点评 本题是对物质结构与性质的考查，涉及核化学键、氢键、杂化方式判断、晶胞计算等，（6）中计算为易错点、难点，基本属于纯数学计算，需要学生具备一定的数学计算能力，难度较大．