Question

碳元素形成的单质和化合物在化工、材料、医学等领域应用广泛，回答下列问题：

(1)区分金刚石和无定形碳最可靠的科学方法为___________。基态C原子核外未成对电子的数目为_____________。

(2)咖啡因结构为。

①咖啡因中C原子的杂化形式为_________________。

②1 mol咖啡因中所含键数目为_________________。

③咖啡因通常在水中的溶解度较小，加入适量能增大其在水中溶解度的原因为_________________。

④CH₃⁺(甲基正离子)的立体构型为_________________。

(3)CO、NO、H₂S均为生命体系气体信号分子。其中H、C、O、S的电负性由大到小的顺序为____________；N、O、S的第一电离能由大到小的顺序为________________。

(4)干冰可用于人工降雨。其熔点低于金刚石的原因为___________；若干冰的密度为1.56 g/cm³，立方晶胞参数为0.57 nm，则每个晶胞实际占用CO₂的数目为_______。

Answer

X-射线衍射实验 2 sp3杂化、sp2杂化 25NA 物质中含有亲水基-OH、-COONa，增大了物质的水溶性，同时含有亲油基，增大了咖啡因的溶解性，因此可增大其在水中溶解度 平面三角形 O＞S＞C＞H N＞O＞S 干冰属于分子晶体，分子间以范德华力结合；金刚石属于原子晶体，原子间以共价键结合，范德华力比共价键弱，导致干冰的熔点比金刚石低。 4

【解析】

(1)区分晶体与非晶体最可靠的方法是X-射线衍射实验；结合构造原理及原子核外电子排布规律分析判断；

(2)①C原子形成共价单键为sp3杂化，形成共价双键为sp2杂化，加成判断；

②共价单键都是键，共价双键一个是键，一个是π键；

③根据物质相似相溶原理分析判断；

(3)元素非金属性越强，其电负性就越大；元素的第一电离能随元素非金属性的增强而增大，第IIA、VA元素的元素大于相邻同一周期元素的第一电离能；

(4)不同类型晶体熔沸点规律是：原子晶体>离子晶体>分子晶体；根据晶胞参数及晶体密度，可计算晶胞质量，然后结合其相对分子质量计算含有的分子数目。

(1)区分晶体与非晶体最可靠的方法是X-射线衍射实验，金刚石是原子晶体，无定形碳是非晶体，所以区分金刚石和无定形碳最可靠的科学方法为X-射线衍射实验；

C原子核外有6个电子，核外电子排布式为1s22s22p2，由于一个轨道最多可容纳2个自旋方向相反的电子，2p轨道有3个，这2个电子总是尽可能占据不同轨道，而且自旋方向相同，这样能量最低，所以基态C原子有2个成单电子；

(2)①根据咖啡因分子结构示意图可知：分子中C原子有饱和C原子和形成羰基的C原子两种类型，饱和C采用sp3杂化，形成羰基的C原子采用sp2杂化；

②咖啡因分子式是C8H10N4O2，在一个咖啡因分子中含有的键数目是25个，则在1 mol咖啡因中所含键数目为25NA；

③咖啡因分子中无亲水基，因此在水中不容易溶解；而在中同时含有亲水基和亲油基，含有亲水基-OH和-COONa增大了物质的水溶性，含有的亲油基(即憎水基)，又能够很好溶解咖啡因，故加入适量能增大咖啡因在水中的溶解度；

④CH3+中价电子数为3，采用sp2杂化，其空间构型为平面三角形；

(3)元素H、C、O、S的非金属性强弱顺序为：O＞S＞C＞H，元素的非金属性越强，其电负性越大，所以这四种元素的电负性由大到小的顺序为：O＞S＞C＞H；

在N、O、S三种元素中，原子半径越大，原子越容易失去电子，元素的电离能就越小。S元素原子半径最大，其第一电离能最小。对于同一周期的N、O两种元素来说，由于N原子最外层电子排布为半充满的稳定状态，失去电子比O难，因此第一电离能比O大，所以N、O、S三种元素的第一电离能由大到小的顺序N＞O＞S；

(4)干冰属于分子晶体，分子之间以微弱的范德华力结合，因此物质的熔沸点低，易气化，气化吸收大量热，使周围环境温度降低，水蒸气凝结为液体而降落，故可用于人工降雨；而金刚石属于原子晶体，C原子间以强烈的共价键结合，断裂消耗较高能量，所以其熔沸点比干冰高；

若干冰的密度为1.56 g/cm3，立方晶胞参数为0.57 nm，则根据m=ρ·V可得晶胞质量m(CO2)=ρ·V=1.56 g/cm3×(0.57 ×10-7 cm)3=2.89×10-22 g，由于CO2摩尔质量为44 g/mol，则每个晶胞实际占用CO2的数目为N(CO2)= =4。