Question

石墨烯[如图(a)所示]是一种由单层碳原子构成的平面结构新型碳材料，石墨烯中部分碳原子被氧化后，其平面结构会发生改变，转化为氧化石墨烯[如图(b)所示]。

(a)石墨烯结构(b)氧化石墨烯结构

（1）图(a)中，1号C与相邻C形成σ键的个数为________。

（2）图(b)中，1号C的杂化方式是________，该C与相邻C形成的键角________(填“>”“<”或“＝”)图(a)中1号C与相邻C形成的键角。

（3）若将图(b)所示的氧化石墨烯分散在H₂O中，则氧化石墨烯中可与H₂O形成氢键的原子有____________(填元素符号)。

（4）石墨烯可转化为富勒烯(C₆₀)，某金属M与C₆₀可制备一种低温超导材料，晶胞如图所示，M原子位于晶胞的棱上与内部。该材料的化学式为______________。

（5）碳的一种同素异形体——C₆₀，又名足球烯，是一种高度对称的球碳分子。立方烷（分子式：C₈H₈，结构是立方体：)是比C₆₀约早20年合成出的一种对称型烃类分子，而现如今已合成出一种立方烷与C₆₀的复合型分子晶体，该晶体的晶胞结构如下图所示，立方烷分子填充在原C₆₀晶体的分子间空隙中。则该复合型分子晶体的组成用二者的分子式可表示为____________。

（石墨晶胞）

（6）碳的另一种同素异形体——石墨，其晶体结构如上图所示，虚线勾勒出的是其晶胞。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键长为rcm，阿伏伽德罗常数的值为N_A，计算石墨晶体的层间距为____________cm。

Answer

（1）3（1分）（2）sp3（1分）<（2分）

（3）O、H（2分）（4）M3C60（2分）

（5）C8H8·C60或者C60·C8H8；（2分）

（6）4（2分）（3分）

【解析】

试题分析：（1）图(a)中，1号C与相邻C形成σ键的个数为3个；

（2）在(a)中1号C的键角是120°，而图(b)中，1号C的杂化方式是sp3杂化，键角是接近109°28′，所以图(b)中的键角＜图(a)中1号C与相邻C形成的键角。

（3）若将图(b)所示的氧化石墨烯分散在H2O中，则氧化石墨烯中可与H2O形成氢键的原子有O、H两种元素的原子；

（4）石墨烯可转化为富勒烯分子(C60)，C60是60个C原子形成的分子，属于分子晶体；某金属M与C60可制备一种低温超导材料，M原子位于晶胞的棱上与内部。该晶胞中M原子的个数为12×1/4+8＋1=12；在该晶胞中含有的C60的个数是：8×1/8+6×1/2=4,n(M):n(C60)=12:4=3:1,所以该材料的化学式为M3C60。

（5）晶胞中C60数目为8×1/8+6×1/2＝4，立方烷分子填充在原C60晶体的分子间空隙中，晶胞中立方烷数目为4，则化学式为C8H8·C60或者C60·C8H8；

（5）由石墨的晶胞结构可知，设晶胞的底边长为acm，晶胞的高为hcm，层间距为dcm，则h=2d，底面图为，则a/2＝r×sin60°，可得a＝，则底面面积为，晶胞中C原子数目为1+2×1/2+8×1/8+4×1/4＝4，晶胞质量为g，则：ρg．cm-3＝g÷[×2d]cm3，整理可得d＝。

【考点定位】本题主要是考查杂化轨道、键角大小比较、物质的晶体类型的判断、晶胞结构分析、晶体化学式等

【名师点晴】该题是对物质结构与性质的综合考查，题目难度较大需要学生具备一定的数学计算能力。难点是晶胞结构分析与有关计算。在分析晶胞结构时注意利用好均摊法，另外在判断某种微粒周围等距且紧邻的微粒数目时，要注意运用三维想象法。如NaCl晶体中，Na＋周围的Na＋数目(Na＋用“○”表示)：，每个面上有4个，共计12个。