Question

13．碳及其化合物在自然界中廣泛存在．
（1）基態(tài)碳原子的價(jià)電子排布圖可表示為．第四周期與其有相同未成對(duì)電子數(shù)的過(guò)渡金屬有Ti、Ni（填元素符號(hào)）
（2）第一電離能：C、N、O、F四種元素由大到小順序F＞N＞O＞C，原因是非金屬性F、O、N、C依次減弱，但N由于P亞層半充滿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其第一電離能反而比O大，HCN、NF₃分子構(gòu)型分別是直線形和三角錐形．
（3）冰晶胞中水分子的空間排列方式與金剛石晶胞類似．每個(gè)冰晶胞平均占有8個(gè)水分子，冰晶胞與金剛石晶胞排列方式相同的原因是水中的O和金剛石中的C都是sp³雜化，且水分子間的氫鍵具有方向性，每個(gè)水分子可與相鄰的4個(gè)水分子形成4個(gè)氫鍵．
（4）C₆₀的晶體中，分子為面心立方堆積，已知晶胞中C₆₀分子中心間的最短距離為dcm，可計(jì)算C₆₀晶體的密度為$\frac{720\sqrt{2}}{d{\;}^{3}N{\;}_{A}}$g/cm³．
（5）請(qǐng)寫(xiě)出一個(gè)反應(yīng)方程式以表達(dá)出反應(yīng)前碳原子的雜化方式為sp²，反應(yīng)后變?yōu)閟p³：CH₂═CH₂+Br₂→BrCH₂CH₂Br．

Answer 1

分析 （1）碳原子核外有6個(gè)電子，最外層4個(gè)，根據(jù)構(gòu)造原理、泡利原理和洪特規(guī)則可寫(xiě)出基態(tài)碳原子的價(jià)電子排布圖，則未成對(duì)電子數(shù)為2，所以第四周期未成對(duì)電子數(shù)為2的過(guò)渡金屬價(jià)電子為3d²4s²，3d⁸4s²；
（2）同一周期元素中，元素的第一電離能隨著原子序數(shù)的增大而呈增大趨勢(shì)，但第IIA族、第VA族元素的第一電離能大于相鄰元素；根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論確定HCN、NF₃分子的空間構(gòu)型，價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)=σ鍵個(gè)數(shù)+孤電子對(duì)個(gè)數(shù)，據(jù)此分析解答；
（3）利用均攤法確定每個(gè)冰晶胞含有的水分子個(gè)數(shù)，根據(jù)氧原子和碳原子的雜化方式分析；
（4）晶胞中C₆₀分子間的最短距離為d cm，則棱長(zhǎng)為$\sqrt{2}$dcm，晶胞的體積=2$\sqrt{2}$d³cm³，該晶胞中C₆₀分子個(gè)數(shù)=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，再結(jié)合ρV=m計(jì)算；
（5）sp2雜化的碳為形成雙鍵碳原子，sp3雜化的碳為形成單鍵碳原子，可以是乙烯與Br₂、H₂、HX、H₂O等的加成反應(yīng)．

解答 解：（1）碳原子核外有6個(gè)電子，最外層4個(gè)，根據(jù)構(gòu)造原理、泡利原理和洪特規(guī)則可寫(xiě)出基態(tài)碳原子的價(jià)電子排布圖，未成對(duì)電子數(shù)為2，所以第四周期未成對(duì)電子數(shù)為2的過(guò)渡金屬有3d²4s²，3d⁸4s²，即Ti和Ni，故答案為：； Ti、Ni；
（2）同一周期元素中，元素的第一電離能隨著原子序數(shù)的增大而呈增大趨勢(shì)，但第IIA族、第VA族元素的第一電離能大于相鄰元素，這幾種元素都是第二周期元素，非金屬性F、O、N、C依次減弱，但N由于P亞層半充滿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其第一電離能反而比O大，所以它們的第一電離能大小順序是F＞N＞O＞C；HCN的結(jié)構(gòu)為H-C≡N，C原子的價(jià)層電子對(duì)數(shù)為2，不含有孤電子對(duì)，為直線形；NF₃分子中N原子的價(jià)層電子對(duì)個(gè)數(shù)=3+$\frac{1}{2}$×（5-3×1）=4，含有1對(duì)孤電子對(duì)，所以其空間構(gòu)型為三角錐形，
故答案為：F＞N＞O＞C；非金屬性F、O、N、C依次減弱，但N由于P亞層半充滿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其第一電離能反而比O大；直線形和三角錐形；
（3）每個(gè)冰晶胞平均占有分子個(gè)數(shù)=4+8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=8，H₂O的氧原子中含有2個(gè)σ鍵和2個(gè)孤電子對(duì)，金剛石中每個(gè)碳原子含有4個(gè)σ鍵且沒(méi)有孤電子對(duì)，所以水中的O和金剛石中的C都是sp³雜化，且水分子間的氫鍵具有方向性，每個(gè)水分子中一個(gè)氧原子可以和另外2個(gè)水分子中的氫原子形成2個(gè)氫鍵，2個(gè)氫原子可以和另外2個(gè)水分子中的氧原子形成氫鍵，所以每個(gè)水分子可與相鄰的4個(gè)水分子形成4個(gè)氫鍵，導(dǎo)致冰晶胞與金剛石晶胞微粒排列方式相似，
故答案為：8；水中的O和金剛石中的C都是sp³雜化，且水分子間的氫鍵具有方向性，每個(gè)水分子可與相鄰的4個(gè)水分子形成4個(gè)氫鍵；
（4）晶胞中C₆₀分子間的最短距離為d cm，則棱長(zhǎng)為$\sqrt{2}$dcm，晶胞的體積=2$\sqrt{2}$d³cm³，該晶胞中C₆₀分子個(gè)數(shù)=8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，ρ=$\frac{m}{V}$=$\frac{n•M}{V}$=$\frac{\frac{N}{N{\;}_{A}}•M}{V}$=$\frac{N•M}{V•N{\;}_{A}}$=$\frac{4×720}{2\sqrt{2}d{\;}^{3}•N{\;}_{A}}$=$\frac{720\sqrt{2}}{d{\;}^{3}N{\;}_{A}}$g/cm³，故答案為：$\frac{720\sqrt{2}}{d{\;}^{3}N{\;}_{A}}$；
（5）sp²雜化的碳為形成雙鍵碳原子，sp³雜化的碳為形成單鍵碳原子，可以是乙烯與Br₂、H₂、HX、H₂O等的加成反應(yīng)，如CH₂═CH₂+Br₂→BrCH₂CH₂Br，故答案為：CH₂═CH₂+Br₂→BrCH₂CH₂Br．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，考查考生對(duì)原子、分子、晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理解能力，難度較大．