Question

4．碳是地球上組成生命的最基本元素之一，可以sp₃、sp₂和sp雜化軌道成共價鍵，具有很強的結(jié)合能力，與其它元素結(jié)合成不計其數(shù)的無機物和有機化合物，構(gòu)成了豐富多彩的世界．碳及其化合物在研究和生產(chǎn)中有許多重要用途．請回答下列問題：
（1）基態(tài)碳原子核外有6種空間運動狀態(tài)的電子，其價電子排布圖為．
（2）光氣的分子式為COCl₂，又稱碳酰氯，是一種重要的含碳化合物，判斷其分子立體構(gòu)型為平面三角形，其碳原子雜化軌道類型為sp²雜化．
（3）碳酸鹽在一定溫度下會發(fā)生分解，實驗證明碳酸鹽的陽離子不同，分解溫度不同，如下表所示：

碳酸鹽	MgCO3	CaCO3	BaCO3	SrCO3
熱分解溫度/℃	402	900	1172	1360
陽離子半徑/pm	66	99	112	135

試解釋為什么隨著陽離子半徑的增大，碳酸鹽的分解溫度逐步升高？碳酸鹽分解實際過程是晶體中陽離子結(jié)合碳酸根離子中氧離子，使碳酸根離子分解為二氧化碳的過程，陽離子所帶電荷相同時，陽離子半徑越小，其結(jié)合氧離子能力越強，對應(yīng)的碳酸鹽就越容易分解
（4）碳的一種同素異形體--C₆₀，又名足球烯，是一種高度對稱的球碳分子．立方烷（分子式：C₈H₈結(jié)構(gòu)是立方體：是比C₆₀約早20年合成出的一種對稱型烴類分子，而現(xiàn)如今已合成出一種立方烷與C₆₀的復(fù)合型分子晶體，該晶體的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示，立方烷分子填充在原C₆₀晶體的分子間空隙中．則該復(fù)合型分子晶體的組成用二者的分子式可表示為C₈H₈．C₆₀

（5）碳的另一種同素異形體--石墨，其晶體結(jié)構(gòu)如圖所示，虛線勾勒出的是其晶胞．則石墨晶胞含碳原子個數(shù)為4個．已知石墨的密度為ρg．cm^-3，C-C鍵長為rcm，阿伏伽德羅常數(shù)的值為N_A，計算石墨晶體的層間距為$\frac{\sqrt{3}}{16}$ρN_Ar²cm．

Answer 1

分析 （1）碳原子核外有6個電子，原子核外沒有運動狀態(tài)相同的電子，價電子排布式為2s²2p²，根據(jù)泡利原理與洪特規(guī)則畫出價電子排布圖；
（2）光氣的分子式為COCl₂，其分子中C原子形成3個σ鍵，沒有孤對電子，雜化軌道數(shù)目為3；
（3）分解本質(zhì)是陽離子結(jié)合碳酸根離子中氧離子，使碳酸根離子分解為二氧化碳，陽離子半徑越小，其結(jié)合氧離子能力越強；
（4）根據(jù)均攤法計算晶胞中C₆₀數(shù)目，立方烷分子填充在原C₆₀晶體的分子間空隙中，根據(jù)晶胞中C₆₀數(shù)目確定立方烷數(shù)目，進而確定化學式；
（5）由圖可知石墨的晶胞結(jié)構(gòu)為，設(shè)晶胞的底邊長為acm，晶胞的高為h cm，層間距為d cm，則h=2d，底面圖為，則$\frac{a}{2}$=r×sin60°，可得a=$\sqrt{3}$r，再計算底面面積，根據(jù)均攤法計算晶胞質(zhì)量，結(jié)合ρ=$\frac{m}{{a}^{2}sin60°×2d}$計算．

解答 解：（1）碳原子核外有6個電子，原子核外沒有運動狀態(tài)相同的電子，即有6種運動狀態(tài)不同的電子，碳原子價電子排布式為2s²2p²，根據(jù)泡利原理與洪特規(guī)，價電子排布圖為，
故答案為：6；；
（2）光氣的分子式為COCl₂，其分子中C原子形成3個σ鍵，沒有孤對電子，空間結(jié)構(gòu)為平面三角形，雜化軌道數(shù)目為3，C原子采取sp²雜化，
故答案為：平面三角形；sp²；
（3）碳酸鹽分解實際過程是晶體中陽離子結(jié)合碳酸根離子中氧離子，使碳酸根離子分解為二氧化碳的過程，陽離子所帶電荷相同時，陽離子半徑越小，其結(jié)合氧離子能力越強，對應(yīng)的碳酸鹽就越容易分解，
故答案為：碳酸鹽分解實際過程是晶體中陽離子結(jié)合碳酸根離子中氧離子，使碳酸根離子分解為二氧化碳的過程，陽離子所帶電荷相同時，陽離子半徑越小，其結(jié)合氧離子能力越強，對應(yīng)的碳酸鹽就越容易分解；
（4）晶胞中C₆₀數(shù)目為8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，立方烷分子填充在原C₆₀晶體的分子間空隙中，晶胞中立方烷數(shù)目為4，則化學式為C₈H₈．C₆₀，
故答案為：C₈H₈．C₆₀；
（5）由圖可知石墨的晶胞結(jié)構(gòu)為，設(shè)晶胞的底邊長為acm，晶胞的高為h cm，層間距為d cm，則h=2d，底面圖為，則$\frac{a}{2}$=r×sin60°，可得a=$\sqrt{3}$r，則底面面積為（$\sqrt{3}$r）²×Sin60°，晶胞中C原子數(shù)目為1+2×$\frac{1}{2}$+8×$\frac{1}{8}$+4×$\frac{1}{4}$=4，晶胞質(zhì)量為$\frac{4×12}{{N}_{A}}$g，則：
ρg．cm^-3=$\frac{4×12}{{N}_{A}}$g÷[（$\sqrt{3}$r）²×Sin60°×2d]cm³，整理可得d=$\frac{\sqrt{3}}{16}$ρN_Ar²，
故答案為：4；$\frac{\sqrt{3}}{16}$ρN_Ar²．

點評 本題是對物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的考查，涉及核外電子排布、雜化方式判斷、晶胞計算等，（5）中計算為易錯點、難點，基本屬于純數(shù)學計算，需要學生具備一定的數(shù)學計算能力，難度較大．