Question

碳是形成单质和化合物种类最多的元素，其单质及化合物有独特的性质和用途。请回答下列问题。

(1)碳有多种单质，其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示：

石墨烯能导电而金刚石不能导电的原因是________。

(2)碳的主要氧化物有CO和CO₂

①CO能与金属Fe形成一种浅黄色液体Fe(CO)₅，其熔点为-20℃，沸点为103℃，热稳定性较高，易溶于苯等有机溶剂，不溶于水。据此判断：该化合物的晶体中不涉及的作用力有________。

A.离子键            B.极性键            C.非极性键           D.范德华力         E.配位键

②CO₂在一定条件下可以合成甲醇，反应方程式为：。该反应所涉及的4种物质，沸点从高到低的顺序为________。

(3)是重要的有机反应中间体，其空间构型为________。

(4)碳的有机物常作为金属有机化合物的配体，如EDTA(乙二胺四乙酸)。EDTA与Ca²⁺形成的配离子如图所示。

①钙离子的配位数是________。

②配体中碳原子的杂化方式有________。

Answer

石墨烯中C原子上未参与杂化的所有P轨道相互平行且重叠，使P轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动而导电，金刚石中C原子的四个价电子均已杂化生成σ键 AC H2O＞CH3OH＞CO2＞H2 三角锥性 6 sp2和sp3

【解析】

(1)根据石墨烯和金刚石中碳原子的成键特点分析；

(2)①根据物质的性质分析其晶体类型，从而确定物质中存在的作用力；

②根据影响物质熔沸点的因素分析；

(3)根据价层电子对互斥理论分析；

(4)①根据配位数的概念分析；

②根据杂化轨道理论分析。

(1)石墨烯中C原子上未参与杂化的所有P轨道相互平行且重叠，使P轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动而导电，金刚石中C原子的四个价电子均已杂化生成σ键，因此金刚石不能导电；

(2)①CO能与金属Fe形成一种浅黄色液体Fe(CO)5，其熔点为-20℃，沸点为103℃，熔沸点较低，易溶于苯等有机溶剂，不溶于水，故其为分子晶体，则Fe(CO)5分子间存在范德华力，C与O原子间形成极性键，CO作为配体与中心原子Fe原子间形成配位键，则该化合物的晶体中不涉及的作用力有离子键、非极性键；

②由于常温下，H2O与CH3OH是液体，CO2与H2为气体，故H2O与CH3OH的沸点较高，CO2与H2的沸点较低，又由于H2O与CH3OH均为极性分子，H2O分子间形成的氢键数比甲醇多，则H2O的沸点比CH3OH的沸点高；CO2与H2均为非极性分子，CO2分子量较大，范德华力较大，故CO2的沸点比H2的高，故这4种物质的沸点从高到低的顺序为H2O＞CH3OH＞CO2＞H2；

(3)的σ键电子对数为3，孤电子对数为，则其价层电子对数为4，空间构型为三角锥性；

(4)①如图所示，该配离子中钙离与N、O原子之间形成配位键，Ca2+的配位数为6；

②EDTA中羧基上的C原子形成3个σ键，没有孤电子对，该类C原子杂化轨道数目为3，采取sp2杂化，-CH2-的C原子形成4个σ键，没有孤电子对，该类C原子杂化轨道数目为4，采取sp3杂化，故配体中碳原子的杂化方式有sp2和sp3。