Question

碳元素的单质有多种形式，下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图：

回答下列问题：

(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们互为____________。

(2)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化形式分别为________、________。

(3)C60属于________晶体，石墨属于________晶体。

(4)石墨晶体中，层内C—C键的键长为142 pm，而金刚石中C—C键的键长为154 pm。其原因是金刚石中只存在C—C间的________共价键，而石墨层内的C—C间不仅存在________共价键，还有________键。

(5)金刚石晶胞含有____________个碳原子。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，则r＝__________a，列式表示碳原子在晶胞中的空间占有率__________(不要求计算结果)。

Answer 1

答案　(1)同素异形体　(2)sp3　 sp2

(3)分子　混合

(4)σ　σ　π(或大π或p­p π)

(5)8　　＝

解析　(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，它们的组成元素相同，结构不同、性质不同，互称为同素异形体。(2)金刚石中碳原子与四个碳原子形成4个共价单键(即C原子采取sp3杂化方式)，构成正四面体；石墨中的碳原子采用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合，形成正六边形的平面层状结构。(3)C60中构成微粒是分子，所以属于分子晶体；石墨的层内原子间以共价键结合，层与层之间以分子间作用力结合，所以石墨属于混合晶体。(4)在金刚石中只存在C—C之间的σ键；石墨层内的C—C之间不仅存在σ键，还存在π键。(5)由金刚石的晶胞结构可知，晶胞内部有4个C原子，面心上有6个C原子，顶点有8个C原子，所以金刚石晶胞中C原子数目为4＋6×＋8×＝8；若C原子半径为r，金刚石的边长为a，根据硬球接触模型，则正方体对角线长度的就是C—C键的键长，即a＝2r，所以r＝a；碳原子在晶胞中的空间占有率w＝＝＝。