Question

碳是地球上组成生命的最基本元素之一，与其他元素结合成不计其数的无机物和有机化合物，构成了丰富多彩的世界。碳及其化合物在研究和生产中有许多重要用途。回答下列问题：

(1)冠醚是由多个二元醇分子之间失水形成的环状化合物。X、Y、Z是常见的三种冠醚，其结构如图所示。它们能与碱金属离子作用，并且随着环的大小不同而与不同金属离子作用。

①Li⁺与X的空腔大小相近，恰好能进入到X的环内，且与氧原子的一对孤电子对作用形成稳定结构W(如图)。基态碳原子核外有___种运动状态不同的电子，其外围电子轨道表示式为___。W中Li⁺与孤对电子之间的作用属于___(填标号)。

A.离子键     B.共价键     C.氢键     D.配位键     E.以上都不是

②冠醚Y能与K⁺形成稳定结构，但不能与Li⁺形成稳定结构，理由是___。

③冠醚分子中氧的杂化轨道的空间构型是___，C—O—C的键角___(填“＞”“＜”或“=”)109°28′。

(2)碳的一种同素异形体——石墨，其晶体结构及晶胞如图1、图2所示。则石墨晶胞含碳原子个数为___个。已知石墨的密度为ρg·cm^-3，C—C键键长为rcm，阿伏加德罗常数的值为N_A，计算石墨晶体的层间距d为___cm。

(3)碳的另一种同素异形体——金刚石，其晶胞如图3所示。已知金属钠的晶胞(体心立方堆积)沿其体对角线垂直在纸平面上的投影图如图A所示，则金刚石晶胞沿其体对角线垂直在纸平面上的投影图应该是图___ (从A～D图中选填)。

Answer

6 D Li+半径比Y的空腔小很多，不易与空腔内氧原子的孤电子对形成稳定结构 四面体 < 4 D

【解析】

(1)①碳原子为6号元素，原子核外有6个电子，每个电子的运动状态各不相同，所以有6种运动状态不同的电子，核外电子排布为1s22s22p2，外围电子排布式为2s22p2，所以外围电子轨道表示式为；W中Li+提供空轨道，O原子提供孤对电子，形成配位键，所以选D；

②Li+半径比Y的空腔小很多，不易与空腔内氧原子的孤电子对形成稳定结构；

③冠醚分子中O原子形成2个σ键，根据氧原子的最外层电子数可知O原子价层还有2对孤电子对，所以O原子的价层电子对数为4，为sp3杂化，杂化轨道的空间构型是四面体形；由于孤电子对成键电子的排斥作用较大，所以C—O—C的键角＜109°28′；

(2)根据均摊法，石墨晶胞中碳原子分别位于顶点(8个)、棱心(4个)、面心(2个)、内部(1个)，所以个数为=4；晶胞的质量为g，晶胞的底面图为，则有=r×sin60°，可得a=，则底面菱形的高为=r，所以底面积为×r，晶胞的高为2d，所以晶胞的体积为V=×r×2d=3r2dcm3，晶胞的密度，解得d=cm；

(3)体对角线上的原子投影重合，投影在在正六边形中心，另外6个顶点原子投影形成正六边形，面心上6个C原子投影也形成小的正六边形，位于内部的4个C原子的投影，或与六边形中心重合，或与面心C原子的投影重叠，所以D选项符合。