Question

【題目】黨的十八大以來(lái)，我國(guó)在科技創(chuàng)新和重大工程建設(shè)方面取得了豐碩成果，在新時(shí)代更需要新科技創(chuàng)新世界。2018年3月5日,《自然》連刊兩文報(bào)道石墨烯超導(dǎo)重大發(fā)現(xiàn)，第一作者均為中國(guó)科大10級(jí)少年班現(xiàn)年僅21歲的曹原。曹原團(tuán)隊(duì)在雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)新的電子態(tài),可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，轉(zhuǎn)化為氧化石墨烯(如圖乙)。

(1)圖甲中,1號(hào)C與相鄰C形成σ鍵的個(gè)數(shù)為__________。

(2)圖乙中,1號(hào)C的雜化方式是__________,該C與相鄰C形成的鍵角__________(填“>”、“<”或“=”)圖甲中1號(hào)C與相鄰C形成的鍵角。

(3)我國(guó)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(wěn)定，其原因是____________________。

(4)石墨烯可轉(zhuǎn)化為富勒烯(C60),某金屬M(fèi)與C60可制備一種低溫超導(dǎo)材料，晶胞如圖丙所示，M原子位于晶胞的棱心與內(nèi)部。該晶胞中M原子的個(gè)數(shù)為____________,該材料的化學(xué)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(zhǎng)為a,根據(jù)硬球接觸模型,金剛石晶胞中碳原子的空間占有率為___________。

(6)一定條件下,CH4、CO2都能與H2O形成籠狀結(jié)構(gòu)(如下圖所示)的水合物晶體,其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)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為開(kāi)采深海海底的“可燃冰",有科學(xué)家提出用CO2置換CH4的設(shè)想。已知上圖中籠狀結(jié)構(gòu)的空腔直徑為0.586nm,結(jié)合圖表從物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的角度分析,該設(shè)想的依據(jù)是：___________________。

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

Answer 1

【答案】 3 sp3 ＜ 氧化石墨烯可與水形成氫鍵更穩(wěn)定 12 M3C60 ×100% (或34%) 氫鍵、范德華力 CO2的分子直徑小于籠狀結(jié)構(gòu)空腔直徑,且CO2與水的結(jié)合能大于CH4與水的結(jié)合能

【解析】（1）由圖可知，甲中，1號(hào)C與相鄰C形成3個(gè)CC鍵，形成σ鍵的個(gè)數(shù)為3，故答案為：3；

(2)圖乙中,1號(hào)C形成3個(gè)CC及1個(gè)CO鍵,C原子以sp3雜化,為四面體構(gòu)型,而石墨烯中的C原子雜化方式均為sp2,為平面結(jié)構(gòu),則圖乙中C與相鄰C形成的鍵角<圖甲中1號(hào)C與相鄰C形成的鍵角,故答案為：sp3；<；

（3）水中的O電負(fù)性較強(qiáng)，吸引電子能力的強(qiáng)，易與氧化石墨烯中的OH上的H形成氫鍵，氧化石墨烯中O與水中的H形成氫鍵，因此在相同條件下所得到的分散系后者更為穩(wěn)定。答案為：氧化石墨烯可與水形成氫鍵更穩(wěn)定

（4）M原子位于晶胞的棱上與內(nèi)部,棱上有12個(gè)M,內(nèi)部有9個(gè)M,其個(gè)數(shù)為12+9=12,C60分子位于頂點(diǎn)和面心,C60分子的個(gè)數(shù)為8×+6×=4,M原子和C60分子的個(gè)數(shù)比為3:1,則該材料的化學(xué)式為M3C60，故答案為： 12 、 M3C60

（5）若碳原子半徑為r，金剛石晶胞的邊長(zhǎng)為a，根據(jù)硬球接觸模型，則正方體對(duì)角線的就是C-C鍵的鍵長(zhǎng)，即 a=2r，所以r=a，碳原子在晶胞中的空間占有率。答案為：×100%（或34%）

(6) ① CH4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②由表格可知：二氧化碳的分子直徑小于籠狀結(jié)構(gòu)的空腔直徑，即0.512＜0.586，能順利進(jìn)入籠狀空腔內(nèi)，且二氧化碳與水的結(jié)合能力強(qiáng)于甲烷，即29.91＞16.40，故答案為：①氫鍵、范德華力②CO2的分子直徑小于籠狀結(jié)構(gòu)空腔直徑,且CO2與水的結(jié)合能大于CH4與水的結(jié)合能