Question

(共10分)  長期以來人們一直認為金剛石是最硬的物質，但這種神話現在正在被打破。1990年美國伯克利大學的A．Y．Liu和M．L．Cohen在國際著名期刊上發表論文，在理論上預言了一種自然界并不存在的物質β－C₃N₄，理論計算表明，這種C₃N₄物質比金剛石的硬度還大，不僅如此，這種物質還可用作藍紫激光材料，并有可能是一種性能優異的非線性光學材料。這篇論文發表以后，在世界科學領域引起了很大的轟動，并引發了材料界爭相合成β－C₃N₄的熱潮，雖然大塊的β－C₃N₄晶體至今尚未合成出來，但含有β－C₃N₄晶粒的薄膜材料已經制備成功并驗證了理論預測的正確性，這比材料本身更具重大意義。其晶體結構見圖1和圖2。

 

(1) 請分析β－C₃N₄晶體中，C原子和N原子的雜化類型以及它們在晶體中的成鍵情況：

                                                                           ；

(2) 請在圖1中畫出β－C₃N₄的一個結構基元，該結構基元包括    個碳原子和    個氮原子；

(3) 實驗測試表明，β－C₃N₄晶體屬于六方晶系，晶胞結構見圖2(圖示原子都包含在晶胞內)，晶胞參數a=0.64nm，c=0.24nm，請列式計算其晶體密度。

   ρ=                                                                   ；

    (4) 試簡要分析β－C₃N₄比金剛石硬度大的原因(已知金剛石的密度為3.51g?cm^－3)。

Answer 1

(1) β－C₃N₄晶體中，C原子采取sp³雜化，N原子采取sp²雜化；1個C原子與4個處于四面體頂點的N原子形成共價鍵，1個N原子與3個C原子在一個近似的平面上以共價鍵連接 (2分)

(2)

(3) 從圖2可以看出，一個β－C₃N₄晶胞包括6個C原子和8個N原子，其晶體密度為：

     (2分)

(4) β－C₃N₄比金剛石硬度大，主要是因為：①在β－C₃N₄晶體中，C原子采取sp³雜化，N原子采取sp²雜化，C原子和N原子間形成很強的共價鍵；②C原子和N原子間通過共價鍵形成網狀結構；③密度計算結果顯示，β－C₃N₄的密度大于金剛石，即β－C₃N₄，晶體中原子采取更緊密的堆積方式，說明原子間的共價鍵長很短而有很強的鍵合力(3分)