Question

14．碳及化合物与人类的关系非常密切，对碳单质及其化合物的研究具有重要意义．
（1）金刚石的晶胞结构如图1．
①金刚石中碳原子的杂化方式为sp³．
②若金刚石晶胞中立方体的长为apm，阿伏伽德罗常数为N_Amol^-1，则金刚石的密度为$\frac{96}{{a}^{3×}1{0}^{-30}×N{\;}_{A}}$g•cm^-3．（用含a、N_A的代数式表示）
（2）C₆₀的发现使人类了解到一个全新的碳世界．C₆₀的结构如图2所示．
①C₆₀晶体易溶于苯、CS₂、C₆₀属于分子晶体（填“原子”、“离子”或“分子”）．
②1mol的C₆₀中，含有的σ键的数目为90N_A．
（3）科学家研究表明，铜锰氧化物（CuMn₂O₄）能在常温下催化氧化空气中的CO和甲醛（HCHO），CO被氧化成CO₂，HCHO被氧化成CO₂和H₂O．
①CO和N₂互为等电子体，则CO的结构式为C≡O．
②甲醛分子中σ键和π键的个数比为3：1；甲醛和甲醇的相对分子质量接近，但甲醇的沸点（64.5℃）远高与甲醛（-21℃），其原因是甲醇分子之间可以形成氢键．
③在铜离子（Cu²⁺）中，电子占据的最高能层符号为M，该能层具有的原子轨道数为9．
④锰原子的基态电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²．
（4）在440℃和800atm的条件下，金属钠能将CO₂还原为金刚石，同时生成一种盐，该反应的化学方程式为4Na+3CO₂ 2Na₂CO₃+C；CO₃^2-的空间构型为平面正三角形（用文字描述）．

Answer 1

分析 （1）①根据价层电子对互斥理论确定其杂化类型；
②先利用均摊法计算该晶胞中C原子的数目，再根据ρ=$\frac{m}{V}$来计算；
（2）①根据相似相溶原理确定分子的极性；
②利用均摊法计算；
（3）①根据N₂与CO为等电子体，结合等电子体结构相似判断；
②根据甲醛的结构式进行判断，单键为σ键，双键中具有1个σ键、1个π键；分子间存在着氢键，熔、沸点升高；
③根据Cu的电子排布式书写Cu²⁺离子的电子排布式，判断其最高能层和该能层下的原子轨道数；
④根据元素符号，判断元素原子的核外电子数，再根据核外电子排布规律来写；
（4）根据题意，以二氧化碳和金属钠作原料，在440℃和800atm的条件下，成功合成了金刚石，同时生成碳酸钠，写出反应的化学方程式即可；根据价电子对互斥理论确定微粒的空间构型和原子的杂化方式，价层电子对个数=σ键个数+孤电子对个数；

解答 解：（1）金刚石中每个碳原子和4个碳原子以σ键相结合，且没有孤对电子，所以每个碳原子的价层电子对是4，则碳原子采取sp³杂化；
故答案为：sp³；
②该晶胞中C为8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$+4=8，该晶胞中立方体的长为apm，则体积为a³×10^-30cm³，金刚石的密度为=$\frac{\frac{12}{{N}_{A}}×8}{{a}^{3}×10{\;}^{-30}}$g•cm^-3=$\frac{96}{{a}^{3×}1{0}^{-30}×N{\;}_{A}}$g•cm^-3
故答案为：$\frac{96}{{a}^{3×}1{0}^{-30}×N{\;}_{A}}$；
（2）①苯、CS₂都是非极性分子，根据相似相溶原理知，C₆₀是非极性分子，属于分子晶体；
故答案为：分子；
②利用均摊法知，每个碳原子含有$\frac{1}{2}$×3=$\frac{3}{2}$个σ 键，所以1mol C₆₀分子中，含有σ 键数目=$\frac{3}{2}$×1mol×60×N_A/mol=90N_A；
故答案为：90N_A；
（3）①N₂与CO为等电子体，二者结构相似，N₂的结构为N≡N，则CO的结构为C≡O；
故答案为：C≡O；
②甲醛的结构式为，分子中含有2个C-H键、1个C=O键，单键为σ键，双键中具有1个σ键、1π键，故分子中σ键和π键数目比为3：1；
甲醇分子间存在着氢键，沸点升高，甲醛分子间没有氢键；
故答案为：3：1；甲醇分子之间可以形成氢键；
③Cu²⁺的质子数为29，原子核外电子数为28，故电子排布式是为：[Ar]3d⁹或1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁹，最高能层为M层，该能层下含有1个3s轨道、3个3p轨道和5个3d轨道，共有9个原子轨道；
故答案为：M；9；
④锰元素为25号元素，原子核外有25个电子，所以核外电子排布式为：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²；
答案为：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s²；
（4）以二氧化碳和金属钠作原料，在440℃和800atm的条件下，成功合成了金刚石，同时生成碳酸钠，反应的化学方程式为：4Na+3CO₂ 2Na₂CO₃+C；CO₃^2-中C原子的价层电子对个数=σ键个数+孤电子对个数=3+$\frac{1}{2}$（4+2-3×2）=3，杂化轨道数3，采用原子杂化方式是sp²，为平面三角形结构，
故答案为：4Na+3CO₂ 2Na₂CO₃+C；平面正三角形．

点评 本题考查物质结构和性质，涉及核外电子排布、杂化方式的判断以及晶胞计算等知识点，熟练掌握基础知识并灵活运用基础知识解答问题是解本题关键，题目难度中等．