20112011奥赛试题评讲奥赛试题评讲奥赛试题选解第一题第一题奥赛试题选解奥赛试题选解解答解答（1）奥赛试题选解第二题第二题奥赛试题选解奥赛试题选解第三题第三题奥赛试题选解奥赛试题选解奥赛试题选解第第7 7题题 碳碳是是元元素素周周期期表表中中最最神神奇奇的的元元素素，它它不不仅仅是是地地球球上上所所有有生生命命的的基基础础元元素素，还还以以独独特特的的成成键键方方式式，形形成成了了丰丰富富多多彩彩的的碳碳家家族族。碳碳元元素素有有多多种种同同素素异异形形体体：除除金金刚刚石石和和石石墨墨外外，1985年年克克罗罗托托( H. W. Kroto )等等人人发发现现了了C60，并并获获1996年年诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖；1991年年日日本本NEC的的电电镜镜专专家家饭饭岛岛澄澄男男 ( Iijima S)首首先先在在高分辨透射电子显微镜下发现了碳纳米管（图高分辨透射电子显微镜下发现了碳纳米管（图1）奥赛试题选解 图图1 两种碳纳米管结构示意图两种碳纳米管结构示意图奥赛试题选解2004年年，安安德德烈烈盖盖姆姆（Andre Geim）和和康康斯斯坦坦丁丁诺诺沃沃肖肖洛洛夫夫（Konstantin Novoselov）首首次次用用胶胶带带纸纸从从高高定定向向热热解解石石墨墨上上成成功功分分离离出出单单层层石石墨墨片片石石墨墨烯烯（图图2），并并获获得得2010年年诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖；2010年年5月月，我我国国中中科科院院化化学学所所的的科科学学家家成成功功地地在在铜铜片片表表面面上上通通过过化化学学方方法法合合成成了了大大面面积积碳碳的的又又一一新新的的同同素素异异形形体体石石墨墨炔炔（图图3）。这这些些新新型型碳碳材材料料的的特特性性具具有有从从最最硬硬到到极极软软、从从全全吸吸光光到到全全透透光光、从从绝绝缘缘体体到到高高导导体体等等多多种种极极端端对对立立的的特特异异性性能能。碳碳材材料料的的这这些些特特性性是是由由它它们们特特殊殊的的结结构构决决定定的的，它它们们的的发发现现，在在自自然科学领域都具有里程碑的重要意义。然科学领域都具有里程碑的重要意义。奥赛试题选解图图2 石墨烯的结构框架图石墨烯的结构框架图 图图3 石墨炔的结构示意图石墨炔的结构示意图 奥赛试题选解1.碳纳米管研究较多的有图碳纳米管研究较多的有图1所示的齿式和椅式所示的齿式和椅式两种结构。假如我们把它近似地看成是一维晶两种结构。假如我们把它近似地看成是一维晶体（假设管是无限长的），请分别在图体（假设管是无限长的），请分别在图1中划中划出它们的一维结构基元。出它们的一维结构基元。2.2.石墨炔是我国科学家发现的一种重要的大面石墨炔是我国科学家发现的一种重要的大面积二维全碳材料，应用前景广阔，试在图积二维全碳材料，应用前景广阔，试在图3中中构建出其二维结构基元。构建出其二维结构基元。奥赛试题选解3. 石石墨墨烯烯不不仅仅自自身身具具有有优优良良性性质质，而而且且是是一一种种优优良良的的掺掺杂杂载载体体。科科学学家家估估计计：以以石石墨墨烯烯代代替替石石墨墨掺掺杂杂锂锂离离子子，制制成成的的锂锂电电池池具具有有更更见见优优良良的的性性能能，假假设设以以Li+:C=1:2的的比比例例在在石石墨墨烯烯层层间间掺掺杂杂锂锂离离子子，试试构构建建这这种种材材料料的的晶晶胞胞结结构构示示意意图图；嵌嵌入入离离子子的的密密度度与与材材料料性性质质密密切切相相关关，假假设设掺掺杂杂后后相相邻邻两两层层石石墨墨烯烯层层间间距距为为540pm，CC键键长长为为140pm，列式计算该掺杂材料中锂离子的密度。列式计算该掺杂材料中锂离子的密度。 奥赛试题选解4. 在在C60中中掺掺杂杂碱碱金金属属能能合合成成出出具具有有超超导导性性质质的的材材料料，经经测测定定C60晶晶体体为为面面心心立立方方结结构构，直直径径约约为为710pm。一一种种C60掺掺杂杂晶晶体体是是有有K+填填充充C60分分子子推推积积形形成成的的一一半半四四面面体体空空隙隙，以以“口口”表表示示空空层层，并并在在晶晶体体中中保保留留一一层层K+，抽抽去去一一层层K+，依依此此类类推推形形成成的的。以以A、B、C表表示示C60层层，a、b、c表表示示K+层层，写写出出该该掺掺杂杂晶晶体体的的堆堆积积周周期期，并计算并计算C60中心到中心到K+的距离。的距离。 奥赛试题选解解答解答1.奥赛试题选解2.奥赛试题选解3.由由题题意意可可知知，掺掺杂杂后后的的晶晶体体结结构构投投影影是是每每个个六六元环中心填充一个锂离子：元环中心填充一个锂离子：奥赛试题选解由此可得晶胞结构如下：由此可得晶胞结构如下：奥赛试题选解上述晶胞是六方晶胞，由上述晶胞是六方晶胞，由C-C键长键长140pm可得其可得其边长边长所以晶体中所以晶体中锂锂的密度：的密度：奥赛试题选解该掺杂该掺杂晶体的堆晶体的堆积积周期：周期：|AaBCcA BbC | 由于由于C60形成的面心立方晶胞的面形成的面心立方晶胞的面对对角角线线相互相切，相互相切，所以由所以由C60直径直径为为710pm可得：可得：所以：所以： 奥赛试题选解第1题（8分）1964年年 ， 美美 国国 的的 F.A.Cotton研研 究究 小小 组组 测测 定定 了了K2Re2Cl8 2H2O的的晶晶体体结结构构，他他们们惊惊讶讶地地发发现现在在Re2Cl82-结结构构（如如右右图图所所示示）中中Re-Re间间距距离离异异常常的的短短，仅仅为为224pm（金金属属Re中中Re-Re间间的的平平均均距距离离为为275pm）。此此后后，类类似似结结构构的的化化合合物物不不断断被被发发现现，无无机机化化学学这这个个古古老老的的学学科科因因此此开开辟辟了了一一个个新新的的研研究究领领域域。关于关于Re2Cl82- 的结构，请回答下列问题：的结构，请回答下列问题： 奥赛试题选解1-1 Re原子的价电子组态是原子的价电子组态是 3d56s2 ， Re2Cl82-中中Re的化合价为的化合价为 +3 ；1-2 Re2Cl82-中中Re-Re间距离特别短，是因为间距离特别短，是因为 存在四重键，它们分别是存在四重键，它们分别是 1个个 键、键、 2个个 键、键、 _1个个 键（请填键型和个数）；键（请填键型和个数）；1-3 Cl原子的范德华半径和为原子的范德华半径和为360pm，因此理应期，因此理应期 望望Re2Cl82-为为 交叉交叉 式构型，但实验结果如图式构型，但实验结果如图 所示却为重叠式构型，其原因是所示却为重叠式构型，其原因是 重叠式能形成四重叠式能形成四 重键，更有利于结构的稳定，而交叉式不能重键，更有利于结构的稳定，而交叉式不能 。奥赛试题选解Re2Cl82-的结构图的结构图奥赛试题选解