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分子能与F₂发生加成反应，其加成产物为______，C₆₀分子的晶体中，在晶胞的顶点和面心均含有一个C₆₀分子，则一个C₆₀晶胞的质量为________。

(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_______(填字母)。

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是________(填字母)。

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．晶体的熔点：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)金刚石晶胞结构如下图，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位键的数目比为________，一个晶胞中N原子数目为________。

(5)C与孔雀石共热可以得到金属铜，铜原子的原子结构示意图为________________，金属铜采用面心立方最密堆积(在晶胞的顶点和面心均含有一个Cu原子)，则Cu的晶体中Cu原子的配位数为_________________。已知Cu单质的晶体密度为ρg·cm^－3，Cu的相对原子质量为M，阿伏加德罗常数为N_A，则Cu的原子半径为__________________。

Answer

C60F60 ac ae 正四面体 3∶1 4 12

【解析】

（1）根据C60分子的共价键特点，计算其含有的碳碳双键的数目，从而确定与C60分子发生加成反应的氟气分子数，再根据原子守恒写出加成产物的化学式；先计算每个C60晶胞中C60分子的个数，再计算晶胞质量；

（2）水分子间存在氢键，且氢键具有方向性，导致水分子形成冰时存在较大的空隙，而受热融化时氢键被破，干冰分子之间只存在范德华力，形成的分子晶体是密堆积；
（3）根据金刚石和石墨中碳原子的杂化方式、成键特点，分析二者结构和性质的差异；

（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，根据金刚石的结构判断，在BN晶体中，每个B原子和4个N原子形成共价键；
（5）铜是29号元素，根据核外电子排布规律写出核外电子排布式再画出原子结构示意图；铜原子的配位数是指与其距离最近且相等的铜原子的个数；先计算晶胞质量，再计算晶胞的边长，进而结合几何关系计算铜原子半径。

(1)C60分子中每个碳原子的连接方式为，所以C60分子中共有双键0.5×60＝30个，则与F2加成的产物应为C60F60；C60为面心立方堆积，则晶胞中含有C60分子的个数为，则一个晶胞的质量为，故答案为：C60F60；；

(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：冰＞干冰，故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，故b错误；

c. 水分子间存在氢键，且氢键具有方向性，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，故c正确；

d. 干冰分子之间只存在范德华力，水分子间既存在范德华力，又存在氢键，二者晶体中分子间相互作用力类型不相同，故d错误；故答案为：ac；

(3)石墨中C—C键键长小于金刚石中C—C键键长，所以熔点：石墨＞金刚石，金刚石的碳原子呈sp3杂化，而石墨中的碳原子呈sp2杂化，所以共价键的键角：石墨大于金刚石，石墨属于混合型晶体，则

a. 金刚石中每个碳原子与相邻的四个碳原子形成4个共价单键，构成正四面体，碳原子的杂化类型为sp3杂化；石墨中每个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，故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，即金刚石中C—C＞石墨中C—C，故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，所以晶体的熔点石墨＞金刚石，故c错误；

d. 金刚石中每个碳原子与相邻的四个碳原子形成4个共价单键，构成正四面体，键角为109°28'，石墨中每个碳原子用sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子以σ键结合，形成平面正六边形的结构，键角为120°，故d错误；

e. 金刚石中每个碳原子与相邻的四个碳原子形成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，形成平面正六边形的结构，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，故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，故f错误；故答案为：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，根据金刚石的结构判断，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，在四个共价键中，其中有一个配位键，其个数之比为3∶1，在晶胞中，含N：个，含B：4个，故答案为：正四面体；3∶1；4；

(5)Cu为29号元素，其原子结构示意图为，根据铜的堆积方式可知，Cu原子的配位数为12，每个晶胞中含铜原子数为，则晶胞的边长为，原子为等径圆球，设铜原子的半径为r，由几何关系可知，位于面对角线上的3个铜原子相切，则4r=，则r=，故答案为：；12；。