Question

【題目】黨的十八大以來，我國在科技創新和重大工程建設方面取得了豐碩成果，在新時代更需要新科技創新世界。2018年3月5日,《自然》連刊兩文報道石墨烯超導重大發現，第一作者均為中國科大10級少年班現年僅21歲的曹原。曹原團隊在雙層石墨烯中發現新的電子態,可以簡單實現絕緣體到超導體的轉變。石墨烯是一種由碳原子組成六角形呈蜂巢晶格的二維碳納米材料（如圖甲）,石墨烯中部分碳原子被氧化后，其平面結構會發生改變，轉化為氧化石墨烯（如圖乙）。

（1）圖乙中1號C與相鄰C有無形成π鍵__________（填“有”、或“無”）。

（2）圖甲中1號C的雜化方式________。該C與相鄰C形成的鍵角______（填“>”、“<”或“=”）1200。

（3）我國制墨工藝是將50nm左右的石墨烯或氧化石墨烯溶于水，在相同條件下所得到的分散系后者更為穩定，其原因是____________________。

（4）石墨烯可轉化為富勒烯（C60）,某金屬M與C60可制備一種低溫超導材料，晶胞如圖丙所示，M原子位于晶胞的棱心與內部。該晶胞中M原子的個數為______________,該材料的化學式為_______________。

（5）金剛石與石墨都是碳的同素異形體。若碳原子半徑為r,金剛石晶胞的邊長為a,根據硬球接觸模型,金剛石晶胞中碳原子的空間占有率為___________（用含π的代數式表示）。

（6）一定條件下,CH4、CO2都能與H2O形成籠狀結構（如下圖所示）的水合物晶體,其相關參數見下表。CH4與H2O形成的水合物晶體俗稱“可燃冰”。

①“可燃冰”中分子間存在的2種作用力是_________；

②有科學家提出用CO2置換CH4的設想。已知上圖中籠狀結構的空腔直徑為0.586nm,結合圖表從物質結構及性質的角度分析,該設想能否實現：________ （填“能”、或“否”）。

可燃冰與二氧化碳替換的水合物的熔點較高的是_________。

參數 分子	分子直徑/nm	分子與H2O的結合能E/（kJ·mol-1）
CH4	0.436	16.40
CO2	0.512	29.91

Answer 1

【答案】無 sp2 = 氧化石墨烯可與水形成氫鍵更穩定 12 M3C60 π×100% 氫鍵、范德華力 能 二氧化碳替換的水合物

【解析】

（1）圖乙中，1號碳原子形成4個共價單鍵；

（2）每個C原子要形成4個共價鍵，根據圖知，每個C原子形成2個共價單鍵、1個共價雙鍵，共價單鍵為σ鍵、共價雙鍵中1個是σ鍵、1個是π鍵；

（3）氧化石墨烯粒可與水分子形成氫鍵，穩定性增強；

（4）M原子位于晶胞的棱上與內部，C60分子位于頂點和面心，利用均攤法確定M原子和C60分子的個數比，從而確定化學式；

（5）根據空間占有率=×100%計算；

（6）①可燃冰中存在水分子，水分子中存在分子間作用力和氫鍵；

②依據表格得出二氧化碳的分子直徑小于0.586nm，且與水的結合能力為29.91大于16.40。

（1）圖乙中，1號碳原子形成4個共價單鍵，所以其價層電子對個數是4,圖乙中1號C與相鄰C沒有形成π鍵，故答案為：無；

（2）每個C原子要形成4個共價鍵，根據圖知，每個C原子形成2個共價單鍵、1個共價雙鍵，共價單鍵為σ鍵、共價雙鍵中1個是σ鍵、1個是π鍵；圖甲中1號C的雜化方式sp2。該C與相鄰C形成的鍵角=1200。故答案為： sp2 ；=；

（3）氧化石墨烯粒可與水分子形成氫鍵，而石墨烯不能，形成氫鍵使穩定性增強，

故答案為：氧化石墨烯可與水分子形成分子間氫鍵而石墨烯不能；

（4）如圖M原子位于晶胞的棱上與內部，棱上有12個M，內部有9個M，其個數為12× +9=12，C60分子位于頂點和面心，C60分子的個數為8×+6×=4，M原子和C60分子的個數比為3：1，則該材料的化學式為M3C60，

故答案為：12；M3C60

（5）金剛石晶胞如圖，該晶胞中C原子個數4+8×+6×=8，金剛石體對角線上的四個原子緊密相連，晶胞棱長a=r，晶胞體積=a3，所有原子體積=πr3×8，空間占有率=×100%=×100%=π×100% ，

故答案為：π×100% ；

（6）①CH4與H2O形成的水合物俗稱“可燃冰”，分子晶體中作用力是范德華力，水分子之間存在氫鍵，

故案為：氫鍵、范德華力；

②由表格可知：二氧化碳的分子直徑小于籠狀結構的空腔直徑，即0.512＜0.586，能順利進入籠狀空腔內，且二氧化碳與水的結合能力強于甲烷，即29.91＞16.40，二氧化碳替換的水合物的相對分子質量大，熔點較高；

故答案為：能；二氧化碳替換的水合物。