Question

碳元素不仅能形成丰富多彩的有机化合物，而且还能形成多种无机化合物，同时自身可以形成多种单质，碳及其化合物的用途广泛。

（1）C₆₀分子中每个原子接2个单键和1个双键，它与F₂发生加成反应，其加成产物为_____；C₆₀的晶体中，每个C₆₀晶胞的质量为_______。（用含N_A的式子表示）

（2）干冰和冰是两种常见的分子晶体，下列关于两种晶体的比较中正确的是_______。

a．晶体的密度：干冰＞冰            b．晶体的熔点：干冰＞冰

c．晶体中的空间利用率：干冰＞冰    d．晶体中分子间相互作用力类型相同

（3）金刚石和石墨是碳元素形成的两种常见单质，下列关于这两种单质的叙述中正确的有____。

a．金刚石中碳原子的杂化类型为sp³杂化，石墨中碳原子的杂化类型为sp²杂化；

b．晶体中共价键的键长：金刚石中C—C＜石墨中C—C；

c．晶休的熔点：金刚石＞石墨

d．晶体中共价键的键角：金刚石＞石墨

e．金刚石晶体中只存在共价键，石墨晶体中则存在共价键、金属键和范德华力

f．金刚石和石墨的熔点都很高，所以金刚石和石墨都是原子晶体

（4）金刚石晶胞结构如图，立方BN结构与金刚石相似，在BN晶体中，B原子周围最近的N原子所构成的立体图形为_______，B原子与N原子之间共价键与配价键的数目比为_____，一个晶胞中N 原子数目为_______。

（5）炭与孔雀石共热可以得到金属铜，基态铜原子的电子排布式为_______，铜采用_____堆积，则铜的晶体中Cu 原子的配位数为________。已知铜单质的晶体密度为pg/cm³，Cu的相对原子质量为M，阿伏伽德罗常数N_A，则Cu的半径为________。

Answer

C60F60 ac ae 正四面体 3:1 4 [Ar]3d104s1 面心立方最密堆积 12 cm

【解析】（1）C60分子含有30个共价键，发生加成反应时一个C60分子中含有的碳碳双键个数和氟气分子个数相同，1molC60分子中30mol碳碳双键，所以需要30mol氟气，所以其加成产物的化学式为：C60F60；C60晶体为面心立方排布，所以每个C60晶胞有4个C60分子 （面心3个，顶点1个），所以一个C60晶胞=4×60/NA×12=2880/NAg；（2）a、水分子间存在氢键，且氢键有方向性，导致水分子形成冰时存在较大的空隙，密度比水小，干冰分子之间只存在范德华力，形成的分子晶体是密堆积，密度比水大，a正确；b、冰融化时氢键被破，干冰分子之间只存在范德华力，融化时破坏范德华力，氢键比范德华力强，故晶体的熔点冰＞干冰，b错误；c、水分子间存在氢键，且氢键有方向性，导致水分子形成冰时存在较大的空隙，干冰分子之间只存在范德华力，形成的分子晶体是密堆积，晶体中的空间利用率：干冰＞冰，c正确；d、干冰分子之间存在范德华力，水分子间存在氢键，晶体中分子间相互作用力类型不相同，d错误，答案选ac；（3）a、金刚石中碳原子与四个碳原子形成4个共价单键，构成正四面体，碳原子的杂化类型为sp3杂化；石墨中的碳原子与相邻的三个碳原子以σ键结合，形成平面正六边形结构，碳原子的杂化类型为sp2杂化，a正确；b、sp2杂化中，s轨道的成分比sp3杂化更多，而且石墨的碳原子还有大π键所以形成的共价键更短，更牢固，即石墨的层内共价键键长比金刚石的键长短，b错误；c、石墨的层内共价键键长比金刚石的键长短，作用力更大，破坏化学键需要更大能量，所以晶体的熔点金刚石＜石墨，c错误；d、金刚石中碳原子与四个碳原子形成4个共价单键，构成正四面体，键角为109°28′，石墨中的碳原子用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合，形成正六角形的平面层状结构，键角为120°，d错误；e、金刚石中碳原子与四个碳原子形成4个共价单键，构成正四面体，石墨中的碳原子用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合，形成正六角形的平面层状结构，而每个碳原子还有一个2p轨道，其中有一个2p电子．这些p轨道又都互相平行，并垂直于碳原子sp2杂化轨道构成的平面，形成了大π键．因而这些π电子可以在整个碳原子平面上活动，类似金属键的性质，石墨为层状结构，层与层之间通过范德华力连接，说明晶体中含有共价键、金属键、范德华力，e正确；f、金刚石是原子晶体，石墨为层状结构，层与层之间通过范德华力连接，石墨为混合型晶体，不属于原子晶体，f错误；答案选ae；（4）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，在BN晶体中，每个B原子和4个N原子形成共价键，所以B原子周围最近的N原子所构成的立体图形为正四面体；B原子的配位数是4，B原子与N原子之间共价键的数目是12，所以B原子与N原子之间共价键的数目与配位键的数目比为 3：1，一个晶胞中N原子数目为 4；（5）Cu的晶胞属于面心立方晶胞，其配位数=3×8×1/2=12，铜是29号元素，核外电子排布式为[Ar]3d104s1；金属铜采用面心立方最密堆积，晶胞内Cu原子数目为8×1/8+6×1/2=4，令铜原子的半径为rcm，则晶胞的棱长为，所以，解得cm。