Question

【题目】石墨烯是一种由碳原子组成六角形呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料(如图甲),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(如图乙)。

(1)图甲中，1号C与相邻C形成σ键的个数为__________。

(2)图乙中，1号C的杂化方式是__________，该C与相邻C形成的键角__________(填“>”、“<”或“=”)图甲中1号C与相邻C形成的键角。

(3)我国制墨工艺是将50nm左右的石墨烯或氧化石墨烯溶于水，在相同条件下所得到的分散系后者更为稳定，其原因是____________________。

(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，晶胞如图丙所示，M原子位于晶胞的棱心与内部。该晶胞中M原子的个数为____________，该材料的化学式为_______________。

(5)金刚石与石墨都是碳的同素异形体。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，金刚石晶胞中碳原子的空间占有率为___________。

(6)一定条件下，CH4、CO2都能与H2O形成笼状结构(如下图所示)的水合物晶体，其相关参数见下表。CH4与H2O形成的水合物晶体俗称“可燃冰”。

①“可燃冰”中分子间存在的2种作用力是___________________________；

②为开采深海海底的“可燃冰”，有科学家提出用CO2置换CH4的设想。已知上图中笼状结构的空腔直径为0.586nm，结合图表从物质结构及性质的角度分析，该设想的依据是：______________________________。

参数 分子	分子直径/nm	分子与H2O的结合能E/(kJ·mol-1)
CH4	0.436	16.40
CO2	0.512	29.91

Answer 1

【答案】 3 sp3 < 氧化石墨烯可与水形成氢键更稳定 12 M3C60 ×100% (或34%) 氢键、范德华力 CO2的分子直径小于笼状结构空腔直径,且CO2与水的结合能大于CH4与水的结合能

【解析】分析：本题对物质结构知识的综合考察。主要涉及到分子中σ键数目的计算、氢键、分子间作用力等基础知识；根据中心原子价层电子对数就可以判定中心碳原子杂化方式，对于金刚石晶胞，体对角线与碳原子半径之间的关系为r= ，就能够解答出金刚石晶胞中碳原子的空间占有率。

详解：（1）图甲中，与1号碳相连的碳原子数为3，所以1号碳与相邻碳形成σ键的个数为3；正确答案：3。

（2）图乙中，1号碳与相邻的3个碳和1个氧相连，形成4个σ键，杂化方式为sp3 ；图乙中1号碳与相邻碳形成立体结构，而图甲中1号碳与相连碳构成的为平面结构，所以图乙中1号碳与相邻碳形成的键角要小；正确答案：sp3 ；<。

(3) 由于氧化石墨烯可与水形成氢键更稳定，所以将50nm左右的石墨烯或氧体对角线的长度为碳原子半径的化石墨烯溶于水，在相同条件下所得到的分散系氧化石墨烯更为稳定；正确答案：氧化石墨烯可与水形成氢键更稳定。

(4) 该晶胞中M的原子个数为12×1/4+9=12；该晶胞中C60的个数为8×1/8+6×1/2=4，所以该材料的化学式为M3C60；正确答案：12；M3C60。

(5)金刚石晶胞中含有碳原子数为8×1/8+6×1/2+4=8，金刚石不是紧密堆积结构，设体心有一个球，半径为r cm，沿体对角线方向有5个球，体对角线距离为8r=a×√3, r= ，原子的体积V(原子)= ×8=32πr3/3，晶胞的体积 V(晶胞)= a3=（）3，空间占有率= V(原子)/ V(晶胞)= = ×100%；正确答案：×100% (或34%)。

(6)①CH4与形成的水合物俗称“可燃冰”，分子晶体中作用力是范德华力，水分子之间存在氢键；正确答案：氢键、范德华力。

②由表格可知：二氧化碳的分子直径小于笼状结构的空腔直径，即0.512＜0.586，能顺利进入笼状空腔内，且二氧化碳与水的结合能力强于甲烷，即29.91＞16.40；正确答案：CO2的分子直径小于笼状结构空腔直径,且CO2与水的结合能大于CH4与水的结合能力。