题目内容

14．石墨、富勒烯C60、和金刚石的结构模型如图所示（石墨仅表示出其中的一层结构）：


（1）石墨层状结构中，层与层之间作用力为范德华力，片层中平均每个六元环含碳原子数为2个；在层状结构中，平均每个六棱柱含碳原子数2个．正硼酸（H3BO3）是一种片层状结构白色晶体，有与石墨相似的层状结构．层内的H3BO3分子通过氢键相连（如图）．分子中B原子杂化轨道的类型为sp2，1mol H3BO3的晶体中有3mol氢键

（2）由金刚石晶胞可知，每个金刚石晶胞占有8个碳原子．碳原子杂化类型为sp3，在该晶体1mol碳平均可形成2molC-C键，砷化镓是人工合成的新型半导体材料，其晶体结构与金刚石相似，GaAs晶体中，每个As与4个Ga相连，且第一电离能As＞Ga（填“＞”、“＜”或“=”）
（3）C60属于分子 （填“原子”或“分子”）晶体．晶体结构中，C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键，1mol C60分子中σ键的数目为90NA，科学家把C60和M掺杂在一起制造出的化合物具有超导性能，其晶胞如图所示．M位于晶胞的棱和内部，该化合物中的M原子和C60分子的个数比为3：1．

分析 （1）石墨层状结构中，层与层之间作用力为范德华力，片层中平均每个六元环含碳原子数=$\frac{1}{3}$×6；
在层状结构中，平均每个六棱柱含碳原子数=12×$\frac{1}{6}$；
根据图知，正硼酸（H3BO3）中每个B原子连接3个O原子且不含孤电子对，据此确定B原子杂化方式；
1个正硼酸分子能形成3个氢键，据此计算1mol H3BO3的晶体中氢键物质的量；
（2）金刚石晶胞中C原子个数=4+8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$；每个C原子形成四个共价键，且不含孤电子对，则C原子为sp3杂化；金刚石中每个C原子形成碳碳键个数=4×$\frac{1}{2}$=2；GaAs晶体结构和金刚石相似，所以GaAs中，每个As与4个Ga相连，同一周期元素，元素第一电离能随着原子序数增大而呈增大趋势，但第IIA、第VA族元素第一电离能大于其相邻元素；
（3）由分子构成的晶体是分子晶体；C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键，每个C原子含有1.5个σ键；
该晶胞中M原子个数=8+1+12×$\frac{1}{4}$=12，C60分子个数=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，所以M和C60个数之比=12：4=3：1．

解答 解：（1）石墨层状结构中，层与层之间作用力为范德华力，片层中平均每个六元环含碳原子数=$\frac{1}{3}$×6=2；
在层状结构中，平均每个六棱柱含碳原子数=12×$\frac{1}{6}$=2；
根据图知，正硼酸（H3BO3）中每个B原子连接3个O原子且不含孤电子对，据此确定B原子杂化方式为sp2；
1个正硼酸分子能形成3个氢键，则1mol H3BO3的晶体中氢键物质的量是3mol；
故答案为：范德华力；2；2；sp2；3；
（2）金刚石晶胞中C原子个数=4+8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=8；每个C原子形成四个共价键，且不含孤电子对，则C原子为sp3杂化；金刚石中每个C原子形成碳碳键个数=4×$\frac{1}{2}$=2；GaAs晶体结构和金刚石相似，所以GaAs中，每个As与4个Ga相连，同一周期元素，元素第一电离能随着原子序数增大而呈增大趋势，但第IIA、第VA族元素第一电离能大于其相邻元素，所以第一电离能As＞Ga；
故答案为：8；sp3；2；4；＞；
（3）由分子构成的晶体是分子晶体；C60分子中每个碳原子只跟相邻的3个碳原子形成化学键，每个C原子含有1.5个σ键，1mol C60分子中σ键的数目为90NA；
该晶胞中M原子个数=8+1+12×$\frac{1}{4}$=12，C60分子个数=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，所以M和C60个数之比=12：4=3：1．
故答案为：分子；90NA；3：1．

点评 本题考查物质结构和性质，为高频考点，涉及晶胞计算、原子杂化方式判断、电离能大小判断等知识点，难点是晶胞计算，注意（3）中原子个数计算，同时考查空间想象能力，题目难度中等．

练习册系列答案
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 反应前反应后
实验
数据		烧杯和稀盐酸的质量 石灰石样品的质量烧杯和其中混合物的质量
134.4 g10 g141.1 g
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