Question

【题目】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________(用含π分数形式表示，不要求写成百分数)。

Answer 1

【答案】同素异形体 sp3 sp2 分子 混合 σ σ π 8

【解析】

(1)由同种元素组成的不同单质互称同素异形体；

(2)根据价层电子对互称理论确定原子杂化类型；

(3)分子晶体的构成微粒是分子，原子晶体的构成微粒是原子；

(4)sp3杂化的碳原子之间形成的共价键为σ键，sp2杂化的碳原子之间形成的共价键中含有σ键和π键；

(5)利用均摊法分析计算。

(1)由同种元素组成的不同单质互称同素异形体，金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式，属于同素异形体，故答案为：同素异形体；

(2)金刚石中每个碳原子价层电子对个数是4，所以C原子杂化方式为sp3，石墨烯中每个碳原子价层电子对个数是3，所以碳原子杂化方式为sp2，故答案为：sp3；sp2；

(3)C60的构成微粒是分子，所以属于分子晶体；石墨的构成微粒是原子，且层与层之间存在分子间作用力，所以石墨属于混合型晶体，故答案为：分子；混合；

(4)sp3杂化的碳原子之间形成的共价键为σ键，sp2杂化的碳原子之间形成的共价键中含有σ键和π键，因此，金刚石中碳原子之间都是碳碳单键，只存在σ键，石墨中存在自由移动的电子，碳原子之间存在σ键和π键，故答案为：σ；σ；π

(5)晶胞中顶点微粒数为：8×=1，面心微粒数为：6×=3，体内微粒数为4，共含有8个碳原子；晶胞内部含有四个碳原子，则晶胞体对角线长度是碳原子直径的8倍，即 a=8r，r=a；8个碳原子的体积为：8××π×r3，晶胞体积为：a3，碳原子的空间利用率为： == ，故答案为：8；；。