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.碳元素的单质有多种形式,下图依次是C60、石墨和金刚石的结构图:
回答下列问题:
(1)金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式,它们互为_________。
(2)金刚石、石墨烯(指单层石墨)中碳原子的杂化形式分别为________、________。
(3)C60属于_________晶体,石墨属于________晶体。
(4)石墨晶体中,层内C—C键的键长为142 pm,而金刚石中C—C键的键长为154 pm,其原因是金刚石中只存在C—C间的________共价键,而石墨层内的C—C间不仅存在_________共价键,还有_________键。
(5)金刚石晶胞含有________个碳原子。若碳原子半径为r,金刚石晶胞的边长为a,根据硬球接触模型,则r=________a,列式表示碳原子在晶胞中的空间占有率________(用含π分数形式表示,不要求写成百分数)。
【回答】
【*】 (1). 同素异形体 (2). sp3 (3). sp2 (4). 分子 (5). 混合 (6). σ (7). σ (8). π (9). 8 (10). (11).
【解析】
【分析】
(1)由同种元素组成的不同单质互称同素异形体;
(2)根据价层电子对互称理论确定原子杂化类型;
(3)分子晶体的构成微粒是分子,原子晶体的构成微粒是原子;
(4)sp3杂化的碳原子之间形成的共价键为σ键,sp2杂化的碳原子之间形成的共价键中含有σ键和π键;
(5)利用均摊法分析计算。
【详解】(1)由同种元素组成的不同单质互称同素异形体,金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都是碳元素的单质形式,属于同素异形体,故*为:同素异形体;
(2)金刚石中每个碳原子价层电子对个数是4,所以C原子杂化方式为sp3,石墨烯中每个碳原子价层电子对个数是3,所以碳原子杂化方式为sp2,故*为:sp3;sp2;
(3)C60的构成微粒是分子,所以属于分子晶体;石墨的构成微粒是原子,且层与层之间存在分子间作用力,所以石墨属于混合型晶体,故*为:分子;混合;
(4)sp3杂化的碳原子之间形成的共价键为σ键,sp2杂化的碳原子之间形成的共价键中含有σ键和π键,因此,金刚石中碳原子之间都是碳碳单键,只存在σ键,石墨中存在自由移动的电子,碳原子之间存在σ键和π键,故*为:σ;σ;π
(5)晶胞中顶点微粒数为:8×=1,面心微粒数为:6×=3,体内微粒数为4,共含有8个碳原子;晶胞内部含有四个碳原子,则晶胞体对角线长度是碳原子直径的8倍,即 a=8r,r=a;8个碳原子的体积为:8××π×r3,晶胞体积为:a3,碳原子的空间利用率为: == ,故*为:8;;。
【点睛】本题的易错点和难点为(5),要注意利用均摊法进行计算,关键是注意原子半径与晶胞参数的关系。
知识点:物质结构 元素周期律
题型:填空题
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