高中化学湖北长江作业本 化学人教选择性必修2 14 单元活动构建教师用书

单元活动3探究不同碳单质的晶体结构任务内容任务一探究金刚石的晶体结构任务二探究石墨的晶体结构任务三探究C60的晶体结构1．金刚石俗称“金刚钻”，是一种由碳元素组成的矿物，金刚石的硬度为10、熔点为3823K，其晶胞如图所示。2．石墨具有较高的熔、沸点，质软，可用作润滑剂。石墨是具有层状结构的晶体，其结构如图所示。3．1985年用激光气化石墨只能制取几毫克的C60，不足以开展大量的研究。直到1990年，C60的合成才取得突破。C60有12个正五边形，20个正六边形，每个五边形均与每个六边形共边，而每个六边形则邻接着3个五边形和3个六边形，将12个五边形彼此隔开，如图所示。探究金刚石的晶体结构活动1金刚石中，碳原子的杂化方式是什么？一个晶胞中含有几个碳原子？金刚石属于哪种类型的晶体？提示：sp3杂化；8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＋4＝8；共价晶体。活动2若金刚石中C—C键长为dpm，用NA表示阿伏加德罗常数的值，求出金刚石的密度ρ。提示：金刚石中C—C键长为dpm，则棱长为eq\f(4\r(3),3)dpm。ρ＝eq\f(m,V)＝eq\f(8×12,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(4\r(3),3)d))\s\up12(3)×10-30×NA)g·cm-3＝eq\f(9\r(3),2NAd3)×1030g·cm-3。探究石墨的晶体结构活动1石墨晶体中，同层的碳原子之间是什么作用力？层间的碳原子之间是什么作用力？石墨属于哪种类型的晶体？提示：共价键；范德华力；混合型晶体。活动2碳纳米管（如图所示）即管状的纳米级石墨晶体，是由单层或多层石墨片围绕中心轴，按一定的螺旋角卷曲形成的无缝纳米级管。由于碳纳米管的纳米结构以及原子间键合强度，这些圆柱形碳分子具有极好的机械刚度和拉伸强度。根据石墨的单层结构，解释石墨能够导电的原因是什么？碳纳米管的特殊强度归因于轨道杂化效应，碳纳米管中碳原子的杂化方式是什么？提示：石墨单层中碳原子为sp2杂化，未参与杂化的碳原子的p轨道相互平行且相互重叠，使p轨道中的电子可在整个碳原子平面中运动，因此石墨可以导电；碳纳米管中碳原子的杂化方式是sp2杂化。活动3石墨的晶体结构如下图所示，则石墨晶胞含几个碳原子？已知石墨的密度为ρg·cm-3，C—C键长为rcm，阿伏加德罗常数的值为NA，则石墨晶体的层间距为多少？（用含ρ、NA、r的式子表示）提示：根据石墨的晶胞结构，设晶胞的底面边长为acm，晶胞的高为hcm，层间距为dcm，则h＝2d，底面图为，则eq\f(a,2)＝r×sin60°，可得a＝eq\r(3)r，则底面面积为（eq\r(3)r）2×sin60°cm2，晶胞中碳原子数目为1＋2×eq\f(1,2)＋8×eq\f(1,8)＋4×eq\f(1,4)＝4，晶胞质量为eq\f(4×12,NA)g，则ρg·cm-3＝eq\f(4×\f(12,NA)g,(\r(3)r)2×sin60°×2dcm3)，整理可得d＝eq\f(16\r(3),3ρNAr2)cm。活动4金刚石和石墨的物理性质差异很大，其中熔点较高的是哪个？硬度较大的是哪个？试从结构分析。提示：石墨为混合型晶体，金刚石为共价晶体，二者的熔点高低均取决于碳碳共价键，石墨中的共价键键长短，则熔点高；石墨的硬度取决于分子间作用力，而金刚石的硬度取决于碳碳共价键，所以硬度大的是金刚石。探究C60的晶体结构活动1C60中碳原子最可能的杂化方式是什么？碳原子之间是哪种作用力？提示：sp2；共价键。活动2C60在室温下为紫红色固体，溶于二硫化碳，硬度较小，则C60属于哪种类型的晶体？提示：分子晶体。活动3C60晶体的晶胞如图所示，以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置，称作原子分数坐标，如1的原子分数坐标为(0，0，0)，2的坐标为eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，0，\f(1,2)))。每个C60分子周围最近的C60分子是多少个？3和4的原子分数坐标如何表示？提示：12；eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1，\f(1,2)，\f(1,2)))、eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)，\f(1,2)，0))。活动4C60衍生物的超分子自组装的研究一直是个热点。下面左图是与C60组成超分子的“杯酚”，右图是C60衍生物组装成的超分子，“杯酚”中相邻酚羟基的H与O之间是什么作用力？后者氮原子与锌离子形成的是什么作用力？提示：氢键；配位键。1．石墨与F2在450℃反应，石墨层间插入F得到层状结构化合物(CF)x，该物质仍具润滑性，其单层局部结构如图所示。下列关于该化合物的说法正确的是()A．与石墨相比，(CF)x导电性增强B．与石墨相比，(CF)x抗氧化性增强C．(CF)x中C—C的键长比C—F短D．1mol(CF)x中含有2xmol共价单键B解析：石墨晶体中每个碳原子上未参与杂化的1个2p轨道上的电子在层内离域运动，故石墨晶体能导电，而(CF)x中没有未参与杂化的2p轨道上的电子，故与石墨相比，(CF)x导电性减弱，A错误；(CF)x中碳原子的所有价键均参与成键，没有未参与成键的孤电子或者不饱和键，故与石墨相比，(CF)x抗氧化性增强，B正确；碳的原子半径比氟的大，故(CF)x中C—C的键长比C—F长，C错误；由题干结构示意图可知，在(CF)x中1个碳原子与周围的3个碳原子形成共价单键，每个C—C被2个碳原子共用，和1个氟原子形成共价单键，即1mol(CF)x中含有2.5xmol共价单键，D错误。2．天然金刚石存在稀少，如何以石墨为原料制备人造金刚石成为当前研究热点。下图是碳单质在不同温度、压强下存在形式的平衡图像，其中M区为金刚石的工业催化合成区。下列有关说法正确的是()A．键长：金刚石<石墨B．密度：金刚石>石墨C．在M区实现金刚石的合成，高温环境有利于提高石墨的平衡转化率D．上图Q区与R区中，表示气态碳单质C(g)存在的区域应出现在Q区B解析：sp2杂化中，s轨道的成分比sp3杂化更多，而且石墨的碳原子还有大π键，所以形成的共价键更短，更牢固，即石墨的层内共价键键长比金刚石的键长短，键长：金刚石>石墨，A错误；由图可知，在等温条件下，石墨变成金刚石需加压，石墨层与层之间距离较大，密度：金刚石>石墨，B正确；在M区实现金刚石的合成，在同压下，高温环境有利于金刚石转化为石墨，石墨的平衡转化率降低，C错误；Q区与R区中，相同温度下，压强越小，越利于气态碳存在，表示气态碳单质C(g)存在的区域应出现在R区，D错误。3．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（分子式为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，而现如今已合成出立方烷与C60的一种复合型分子晶体，该晶体的晶胞结构如图所示，立方烷分子填充在原C60晶体的分子间八面体空隙中。该复合型分子晶体的组合用二者的分子式可表示为。解析：该复合型晶体晶胞中C60数目为8×eq\f(1,8)＋6×eq\f(1,2)＝4，立方烷分子填充在原C60晶体的分子间八面体空隙中，晶胞中立方烷数目为4，则该复合型分子晶体的组成可表示为C8H8·C60。答案：C8H8·C604．氮化硼(BN)晶体存在如图所示的两种结构，六方氮化硼的结构与石墨类似，立方氮化硼的结构与金刚石类似，可作研磨剂。(1)立方氮化硼的熔点和硬度均高于SiC的原因是___________________________，已知该晶胞的密度为ρg·cm-3，晶胞的棱长为acm，则阿伏加德罗常数的表达式为mol-1。(2)六方氮化硼可用作润滑剂，不导电。六方氮化硼的晶体类型是，其中含有的粒子间作用力有______________________。解析：(1)立方氮化硼的熔点和硬度均高于SiC的原因是二者均属于共价晶体，结构相似，其中N原子半径小于C，B原子半径小于Si，B—N共价键的键长小于Si—C共价键的键长，B—N共价键的键能大于Si—C共价键的键能，故立方氮化硼的熔点和硬度均高于SiC；该晶胞中，氮原子的个数为4，硼原子的个数为eq\f(1,2)×6＋eq\f(1,8)×8＝4，则ρg·cm-3＝eq\f(m,V)＝eq\f(4×25g·cm-3,NA×a3cm3)，即NA＝eq\f(4×25,a3ρ)m