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【题目】2020年1月9日,南京大学物理学院高力波教授团队,探索出了一种可控生长超平整石墨烯的方法,该方法有望推广到新材料、新能源等重要研究领域。

(1)如图图1和图2所示,科学家可以用特殊的胶带将石墨不断地粘撕得到石墨烯,是因为___。

(2)石墨烯中碳原子的杂化方式为___,12g石墨烯中含有___个如图所示的六元环。

(3)石墨晶体中碳碳键的键长___金刚石晶体中碳碳键的键长(填“>”“<”或“=”),原因是___。

(4)如图图2和图3中,石墨烯转化为氧化石墨烯时,1号C与其相邻C原子间键能的变化是___(填“变大”、“变小”、“不变”)。

(5)曹原等研制得了具有超导特性的双层石墨烯新材料,手机一旦装上石墨烯电池,充电时间将被缩短为16分钟。将石墨烯逐层叠起来就是石墨,如图图4是石墨晶体的六方晶胞结构。

①在下列四边形内画出石墨晶胞沿c轴的投影___(用“”标出碳原子位置)。

②如果石墨晶胞中最近的两个碳原子之间的距离为apm,层间距为bpm,那么石墨晶体的密度为___ g·cm-3(列出计算式即可))。

【答案】石墨是层状较高,层与层之间是分子间作用力(范德华力) sp2 0.5NA < 石墨晶体中碳碳之间除σ键外还有大π键,金刚石晶体中碳碳之间只有σ键 变小

【解析】

(1)石墨是层状结构,层与层之间通过分子间作用力;

(2)石墨烯中每个碳原子均和3个碳原子相连构成六圆环状结构;单层石墨烯中每个六元环含碳原子个数为6×=2个;

(3)石墨晶体中的碳碳键除σ键外还有大π键,金刚石中碳原子以sp3杂化形成四条杂化轨道,全部形成σ键;

(4)石墨烯转化为氧化石墨烯时,1号C连接的O原子吸引电子能力较强,导致与1号C原子相邻C原子对电子的吸引力减小;

(5)①根据投影,做出投影图;

②根据晶体密度计算公式ρ=,其中N为一个晶胞粒子数,M为一个原子的相对质量,V为一个晶胞的体积。

(1)如图1所示,科学家可以用特殊的胶带将石墨不断地粘撕得到石墨烯,是因为石墨是层状结构,层与层之间通过分子间作用力结合,相对较弱;

(2)石墨烯中每个碳原子均和3个碳原子相连构成六圆环状结构,可知碳原子的杂化方式为sp2,单层石墨烯中每个六元环含碳原子个数为6×=2个,12g石墨烯中含有NA个碳原子,则含=0.5NA个六元环;

(3)金刚石中碳原子以sp3杂化形成四条杂化轨道,全部形成σ键;石墨中碳原子以sp2杂化形成三条杂化轨道,还有一条未杂化的p轨道,所以石墨晶体中的碳碳键除σ键外还有大π键,所以石墨的C-C键的键长短;

(4)石墨烯转化为氧化石墨烯时,1号C连接的O原子吸引电子能力较强,导致与1号C原子相邻C原子对电子的吸引力减小,所以1号C与相邻C原子间键能变小;

(5)①晶胞沿c轴的投影,其中有两个C原子是重叠的影,投影为;

②一个晶胞的体积为底面积×高,注意到,计算底面积时,题中CC键键长是指晶胞中层C以sp2杂化与其他C原子成键的键长,需要借助几何关系计算底面菱形中C与C之间的长度,记CC键键长为x,由余弦定理可得cos120°= =-,解得底面C与C之间的长度为x=apm,则一个晶胞底面积为S=(apm )2sin120°=a2pm2,因此一个晶胞的体积为V=Sh=a2b×2×1030cm3=a2b×1030 cm3,六方石墨晶胞中,8个顶点处的C原子为8个晶胞共有,竖棱上C原子为4个晶胞共有,面上C原子为2个晶胞共有,内部C原子为该晶胞所有,则每个晶胞中含有的C原子数为8×+4×+2×+1=4,1mol晶胞含有4molC原子,则1mol晶胞的质量为m=4×12g,1mol晶胞含有NA个晶胞,则石墨晶体的密度为ρ==g·cm-3。

练习册系列答案
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A.pH>4的溶液中,δ(A2-)=,

B.M点对应的溶液中水的电离程度小于N点

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D.曲线②代表的粒子是HA-

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物质

Li2CO3

MgCO3

CaCO3

MnCO3

Mg(OH)2

Ksp

2.5×102

6.8×106

2.8×109

2.3×1011

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序号

n(Na2CO3)/n(LiCl)

沉淀质量/g

碳酸锂含量/%

锂回收率/%

①

0.9∶1

10.09

92.36

77.67

②

1.0∶1

0.97

90.19

82.46

③

1.1∶1

11.45

89.37

85.27

④

1.2∶1

12.14

84.82

85.45

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