Question

【題目】2020年1月9日，南京大學物理學院高力波教授團隊，探索出了一種可控生長超平整石墨烯的方法，該方法有望推廣到新材料、新能源等重要研究領域。

(1)如圖圖1和圖2所示，科學家可以用特殊的膠帶將石墨不斷地粘撕得到石墨烯，是因為___。

(2)石墨烯中碳原子的雜化方式為___，12g石墨烯中含有___個如圖所示的六元環(huán)。

(3)石墨晶體中碳碳鍵的鍵長___金剛石晶體中碳碳鍵的鍵長(填“>”“<”或“=”)，原因是___。

(4)如圖圖2和圖3中，石墨烯轉(zhuǎn)化為氧化石墨烯時，1號C與其相鄰C原子間鍵能的變化是___(填“變大”、“變小”、“不變”)。

(5)曹原等研制得了具有超導特性的雙層石墨烯新材料，手機一旦裝上石墨烯電池，充電時間將被縮短為16分鐘。將石墨烯逐層疊起來就是石墨，如圖圖4是石墨晶體的六方晶胞結構。

①在下列四邊形內(nèi)畫出石墨晶胞沿c軸的投影___(用“”標出碳原子位置)。

②如果石墨晶胞中最近的兩個碳原子之間的距離為apm，層間距為bpm，那么石墨晶體的密度為___ g·cm-3(列出計算式即可))。

Answer 1

【答案】石墨是層狀較高，層與層之間是分子間作用力(范德華力) sp2 0.5NA ＜ 石墨晶體中碳碳之間除σ鍵外還有大π鍵，金剛石晶體中碳碳之間只有σ鍵 變小

【解析】

(1)石墨是層狀結構，層與層之間通過分子間作用力；

(2)石墨烯中每個碳原子均和3個碳原子相連構成六圓環(huán)狀結構；單層石墨烯中每個六元環(huán)含碳原子個數(shù)為6×=2個；

(3)石墨晶體中的碳碳鍵除σ鍵外還有大π鍵，金剛石中碳原子以sp3雜化形成四條雜化軌道，全部形成σ鍵；

(4)石墨烯轉(zhuǎn)化為氧化石墨烯時，1號C連接的O原子吸引電子能力較強，導致與1號C原子相鄰C原子對電子的吸引力減小；

(5)①根據(jù)投影，做出投影圖；

②根據(jù)晶體密度計算公式ρ=，其中N為一個晶胞粒子數(shù)，M為一個原子的相對質(zhì)量，V為一個晶胞的體積。

(1)如圖1所示，科學家可以用特殊的膠帶將石墨不斷地粘撕得到石墨烯，是因為石墨是層狀結構，層與層之間通過分子間作用力結合，相對較弱；

(2)石墨烯中每個碳原子均和3個碳原子相連構成六圓環(huán)狀結構，可知碳原子的雜化方式為sp2，單層石墨烯中每個六元環(huán)含碳原子個數(shù)為6×=2個，12g石墨烯中含有NA個碳原子，則含=0.5NA個六元環(huán)；

(3)金剛石中碳原子以sp3雜化形成四條雜化軌道，全部形成σ鍵；石墨中碳原子以sp2雜化形成三條雜化軌道，還有一條未雜化的p軌道，所以石墨晶體中的碳碳鍵除σ鍵外還有大π鍵，所以石墨的C-C鍵的鍵長短；

(4)石墨烯轉(zhuǎn)化為氧化石墨烯時，1號C連接的O原子吸引電子能力較強，導致與1號C原子相鄰C原子對電子的吸引力減小，所以1號C與相鄰C原子間鍵能變��；

(5)①晶胞沿ｃ軸的投影，其中有兩個C原子是重疊的影，投影為；

②一個晶胞的體積為底面積×高，注意到，計算底面積時，題中CC鍵鍵長是指晶胞中層C以sp2雜化與其他C原子成鍵的鍵長，需要借助幾何關系計算底面菱形中C與C之間的長度，記CC鍵鍵長為x，由余弦定理可得cos120°= =-，解得底面C與C之間的長度為x=apm，則一個晶胞底面積為S=(apm )2sin120°=a2pm2，因此一個晶胞的體積為V=Sh=a2b×2×1030cm3=a2b×1030 cm3，六方石墨晶胞中，8個頂點處的C原子為8個晶胞共有，豎棱上C原子為4個晶胞共有，面上C原子為2個晶胞共有，內(nèi)部C原子為該晶胞所有，則每個晶胞中含有的C原子數(shù)為8×+4×+2×+1=4，1mol晶胞含有4molC原子，則1mol晶胞的質(zhì)量為m=4×12g，1mol晶胞含有NA個晶胞，則石墨晶體的密度為ρ==g·cm-3。