Question

14．碳及其化合物在研究和生产中有许多重要用途．请回答下列问题：
（1）基态碳原子核外有6种空间运动状态的电子，其价电子排布图为．
（2）光气的分子式为COCl₂，又称碳酰氯，是一种重要的含碳化合物，判断其分子立体构型为平面三角形，其碳原子杂化轨道类型为sp²杂化．
（3）碳酸盐在一定温度下会发生分解，实验证明碳酸盐的阳离子不同，分解温度不同，如下表所示：

碳酸盐	MgCO3	CaCO3	BaCO3	SrCO3
热分解温度/℃	402	900	1172	1360
阳离子半径/pm	66	99	112	135

试解释为什么随着阳离子半径的增大，碳酸盐的分解温度逐步升高？碳酸盐分解实际过程是晶体中阳离子结合碳酸根离子中氧离子，使碳酸根离子分解为二氧化碳的过程，阳离子所带电荷相同时，阳离子半径越小，其结合氧离子能力越强，对应的碳酸盐就越容易分解
（4）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
（5）碳的另一种同素异形体--石墨，其晶体结构如图所示，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）原子核外没有运动状态相同的电子，碳原子价电子排布式为2s²2p²，根据泡利原理与洪特规则画出价电子排布图；
（2）光气的分子式为COCl₂，其分子中C原子形成3个σ键，没有孤对电子，杂化轨道数目为3；
（3）分解本质是阳离子结合碳酸根离子中氧离子，使碳酸根离子分解为二氧化碳，阳离子半径越小，其结合氧离子能力越强；
（4）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；
（5）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，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）碳原子核外有6个电子，原子核外没有运动状态相同的电子，即有6种运动状态不同的电子，碳原子价电子排布式为2s²2p²，根据泡利原理与洪特规，价电子排布图为，
故答案为：6；；
（2）光气的分子式为COCl₂，其分子中C原子形成3个σ键，没有孤对电子，空间结构为平面三角形，杂化轨道数目为3，C原子采取sp²杂化，
故答案为：平面三角形；sp²；
（3）碳酸盐分解实际过程是晶体中阳离子结合碳酸根离子中氧离子，使碳酸根离子分解为二氧化碳的过程，阳离子所带电荷相同时，阳离子半径越小，其结合氧离子能力越强，对应的碳酸盐就越容易分解，
故答案为：碳酸盐分解实际过程是晶体中阳离子结合碳酸根离子中氧离子，使碳酸根离子分解为二氧化碳的过程，阳离子所带电荷相同时，阳离子半径越小，其结合氧离子能力越强，对应的碳酸盐就越容易分解；
（4）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；
（5）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，涉及核外电子排布、杂化方式判断、晶胞计算等，（3）注意对化学反应本质的理解，（5）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．