Question

【題目】含同種元素的不同單質(zhì)互稱為同素異形體。碳元素有多種同素異形體，其中金剛石和石墨是常見的兩種。眾所周知，天然金剛石是罕見的，而石墨則在自然界中含量較多。人們?cè)谏�產(chǎn)和科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)普遍規(guī)律，即物質(zhì)的能量越低越穩(wěn)定。化學(xué)變化從能量變化的角度來認(rèn)識(shí)，一般由高能量的物質(zhì)向低能量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化相對(duì)容易，而如要使化學(xué)變化反向進(jìn)行，則必須控制一定的條件。由實(shí)驗(yàn)可知，如果要將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石，則至少要在1700K和6×1.01×108千帕壓強(qiáng)的條件下進(jìn)行，而且還要一種催化劑。

（1）根據(jù)題中所述判斷：金剛石的能量___（填高于、低于或等于）石墨的能量；金剛石的密度___（大于、小于或等于）石墨的密度；發(fā)生過火山爆發(fā)的地方，在火山口噴口附近的熔巖渣中有可能找到___（填金剛石或石墨）。

（2）中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的錢逸泰教授等以金屬鈉為原料，在700℃時(shí)從四氯化碳（）中置換出了納米級(jí)金剛石粉末。該成果發(fā)表在世界權(quán)威的《科學(xué)》雜志上，立刻被科學(xué)家們高度評(píng)價(jià)為“稻草變黃金”。請(qǐng)寫出該反應(yīng)方程式____。

（3）如上三幅碳的同素異形體結(jié)構(gòu)圖，每幅圖中均含有碳原子形成的最小碳環(huán)。試指出以上三幅圖中最小的碳環(huán)是幾碳環(huán)？_______。金剛石的結(jié)構(gòu)圖中，由2～5號(hào)碳原子在空間構(gòu)成一個(gè)正四面體，1號(hào)碳原子位于該正四面體的體心。仔細(xì)觀察可知，金剛石是由很多這樣的正四面體單元共____連接形成的一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)晶體。分子是由60個(gè)碳原子形成的形如球狀的空間多面體分子。已知多面體的頂點(diǎn)數(shù)、面數(shù)和棱邊數(shù)遵循歐拉定理：頂點(diǎn)數(shù)＋面數(shù)－棱邊數(shù)＝2。通過計(jì)算，請(qǐng)指出分子中兩種碳環(huán)的個(gè)數(shù)（即面數(shù)）各是多少？____。

Answer 1

【答案】高于 大于 金剛石 （不標(biāo)“金剛石”也得分） 五碳環(huán) 頂點(diǎn) 12個(gè)五碳環(huán)，20個(gè)六碳環(huán)

【解析】

（1）由要將石墨轉(zhuǎn)化為金剛石，則至少要在1700K和6×1.01×108千帕壓強(qiáng)的條件下進(jìn)行，而且還要一種催化劑可知，金剛石的能量高于石墨的能量；金剛石的密度大于石墨的密度；發(fā)生過火山爆發(fā)的地方，在火山口噴口附近的熔巖渣中有可能找到金剛石；

（2）中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的錢逸泰教授等以金屬鈉為原料，在700℃時(shí)從四氯化碳（CCl4）中置換出了納米級(jí)金剛石粉末，由質(zhì)量守恒定律還生成了氯化鈉，該反應(yīng)方程式是：；

（3）由圖示可知，三幅圖中最小的碳環(huán)是五碳環(huán)，由金剛石的圖示可知，金剛石是由很多這樣的正四面體單元共頂點(diǎn)連接形成的一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)晶體；設(shè)C60分子中五碳環(huán)、六碳環(huán)個(gè)數(shù)分別是x、y；

由于每個(gè)棱被兩個(gè)面共有，則根據(jù)歐拉定理得：60+x+y＝2；

每個(gè)五邊形平均擁有C原子：，每個(gè)六邊形平均擁有C原子是：，由題意得：；

由以上兩式解得：x=12，y=20。