Question

2020年1月9日，南京大学物理学院高力波教授团队，探索出了一种可控生长超平整石墨烯的方法，该方法有望推广到新材料、新能源等重要研究领域。

(1)如图图1和图2所示，科学家可以用特殊的胶带将石墨不断地粘撕得到石墨烯，是因为___。

(2)石墨烯中碳原子的杂化方式为___，12g石墨烯中含有___个如图所示的六元环。

(3)石墨晶体中碳碳键的键长___金刚石晶体中碳碳键的键长(填“>”“<”或“=”)，原因是___。

(4)如图图2和图3中，石墨烯转化为氧化石墨烯时，1号C与其相邻C原子间键能的变化是___(填“变大”、“变小”、“不变”)。

(5)曹原等研制得了具有超导特性的双层石墨烯新材料，手机一旦装上石墨烯电池，充电时间将被缩短为16分钟。将石墨烯逐层叠起来就是石墨，如图图4是石墨晶体的六方晶胞结构。

①在下列四边形内画出石墨晶胞沿c轴的投影___(用“”标出碳原子位置)。

②如果石墨晶胞中最近的两个碳原子之间的距离为apm，层间距为bpm，那么石墨晶体的密度为___ g·cm^-3(列出计算式即可))。

Answer

石墨是层状较高，层与层之间是分子间作用力(范德华力) sp2 0.5NA ＜ 石墨晶体中碳碳之间除σ键外还有大π键，金刚石晶体中碳碳之间只有σ键 变小

【解析】

(1)石墨是层状结构，层与层之间通过分子间作用力；

(2)石墨烯中每个碳原子均和3个碳原子相连构成六圆环状结构；单层石墨烯中每个六元环含碳原子个数为6×=2个；

(3)石墨晶体中的碳碳键除σ键外还有大π键，金刚石中碳原子以sp3杂化形成四条杂化轨道，全部形成σ键；

(4)石墨烯转化为氧化石墨烯时，1号C连接的O原子吸引电子能力较强，导致与1号C原子相邻C原子对电子的吸引力减小；

(5)①根据投影，做出投影图；

②根据晶体密度计算公式ρ=，其中N为一个晶胞粒子数，M为一个原子的相对质量，V为一个晶胞的体积。

(1)如图1所示，科学家可以用特殊的胶带将石墨不断地粘撕得到石墨烯，是因为石墨是层状结构，层与层之间通过分子间作用力结合，相对较弱；

(2)石墨烯中每个碳原子均和3个碳原子相连构成六圆环状结构，可知碳原子的杂化方式为sp2，单层石墨烯中每个六元环含碳原子个数为6×=2个，12g石墨烯中含有NA个碳原子，则含=0.5NA个六元环；

(3)金刚石中碳原子以sp3杂化形成四条杂化轨道，全部形成σ键；石墨中碳原子以sp2杂化形成三条杂化轨道，还有一条未杂化的p轨道，所以石墨晶体中的碳碳键除σ键外还有大π键，所以石墨的C-C键的键长短；

(4)石墨烯转化为氧化石墨烯时，1号C连接的O原子吸引电子能力较强，导致与1号C原子相邻C原子对电子的吸引力减小，所以1号C 与相邻C原子间键能变小；

(5)①晶胞沿ｃ轴的投影，其中有两个C原子是重叠的影，投影为；

②一个晶胞的体积为底面积×高，注意到，计算底面积时，题中C−C键键长是指晶胞中层C以sp2杂化与其他C原子成键的键长，需要借助几何关系计算底面菱形中C与C之间的长度，记C−C键键长为x，由余弦定理可得cos120°= =-，解得底面C与C之间的长度为x=apm，则一个晶胞底面积为S=(apm )2sin120°=a2pm2，因此一个晶胞的体积为V=Sh=a2b×2×10−30cm3=a2b×10−30 cm3，六方石墨晶胞中，8个顶点处的C原子为8个晶胞共有，竖棱上C原子为4个晶胞共有，面上C原子为2个晶胞共有，内部C原子为该晶胞所有，则每个晶胞中含有的C原子数为8×+4×+2×+1=4，1mol晶胞含有4molC原子，则1mol晶胞的质量为m=4×12g，1mol晶胞含有NA个晶胞，则石墨晶体的密度为ρ==g·cm-3。