Question

【題目】氧化石墨烯基水凝膠是一類新型復合材料，常用 Hummers 法制備氧化石墨烯，具體方法為：將石墨粉和無水 NaNO3 混合后置于濃硫酸中并用冰浴冷卻，再用 KMnO4 溶液進行氧化處理，最后用 H2O2 處理即可得到氧化石墨烯。請回 答下列問題。

（1）鍺（Ge）元素與碳元素同族，基態(tài) Ge 原子的外圍電子排布式是_____。與鍺同周期且基態(tài)原子未成對 電子數與 Ge 原子相同的元素有_____（用元素符號表示）。

（2）對氧化石墨烯進行還原可得到還原氧化石墨烯，二者的結構如圖所示：

①還原石墨烯中碳原子的雜化形式是___________________ 。

②二者當中在水溶液中溶解度更大的是____________ （填物質名稱），原因為__________________。

（3）NaNO3 中 NO3－ 的空間構型為_____，寫出兩種與 NO3－ 的互為等電子體的分子的分子式_____。

（4）金屬鉀晶體和金屬錳晶體的三維空間堆積方式均為體心立方堆積。

①上述兩種晶體原子在二維平面放置方式均為_____（填“密置層”或“非密置層”）。

②金屬鉀和金屬錳的熔點分別為 63℃和 1244℃，金屬錳的熔點高于金屬鉀熔點的原因為___________。

（5）中國科學家首次證明了二維冰的存在，二維冰是由兩層六角冰無旋轉堆垛而成，兩層之間靠氫鍵連接，每個水分子與面內水分子形成三個氫鍵，與面外水分子形成一個氫鍵，二維冰結構的模型示意圖的側視圖 如圖 1 所示，厚度為 a pm，俯視圖如圖 2 所示，距離最近的兩個水分子間的距離為 b pm，設阿伏加德羅常 數的值為 N，二維冰的密度是________________ g·cm3。

Answer 1

【答案】4s24p2 Ti、Ni、Se sp3和sp2 氧化石墨烯 氧化石墨烯中含有的羥基和羧基更多，與水分子間形成的氫鍵更多，溶解度更大 平面三角形 SO3、BF3 非密置層 錳離子半徑比鉀離子半徑小，價電子數更多，形成的金屬鍵強

【解析】

⑴鍺(Ge)元素與碳元素同族，Ge原子電子排布式是1s22s22p63s23p63d104s24p2，鍺基態(tài)原子有2個未成對電子。

⑵①還原石墨烯羧基中的碳原子是3個σ鍵，無孤對電子，還有4個σ鍵的碳。

②氧化石墨烯中含有的羥基和羧基比還原石墨烯多，與水分子間形成的氫鍵更多。

⑶先計算NaNO3中NO3－的價層電子對數，根據價電子N－= O =F+ = S和B2=N，書寫與NO3－的互為等電子體的分子的分子式。

⑷①提心立方堆積在二維平面放置方式均為非密置層；②錳離子半徑比鉀離子半徑小，帶電荷多，形成的金屬鍵強。

⑸結合圖像可知二維冰可看做由棱長為bpm、高為apm的六棱柱堆積而成，先計算每個六棱柱的體積，根據均攤法得到每個六棱柱水分子個數，再氨二維冰的密度。

⑴鍺(Ge)元素與碳元素同族，Ge原子電子排布式是1s22s22p63s23p63d104s24p2，基態(tài)Ge原子的外圍電子排布式是4s24p2。鍺基態(tài)原子有2個未成對電子，與鍺同周期且基態(tài)原子未成對電子數與Ge原子相同的元素有Ti、Ni、Se；故答案為：4s24p2；Ti、Ni、Se。

⑵①還原石墨烯羧基中的碳原子是3個σ鍵，無孤對電子，因此為sp2雜化，還原石墨烯還有4個σ鍵的碳，其雜化形式是sp3雜化；故答案為：sp3和sp2。

②氧化石墨烯中含有的羥基和羧基比還原石墨烯多，與水分子間形成的氫鍵更多，溶解度更大，因此二者當中在水溶液中溶解度更大的是氧化石墨烯；故答案為：氧化石墨烯；氧化石墨烯中含有的羥基和羧基更多，與水分子間形成的氫鍵更多，溶解度更大。

⑶NaNO3中NO3－的價層電子對數，其空間構型為平面三角形，根據價電子N－= O =F+ = S和B2=N，因此與NO3－的互為等電子體的分子的分子式SO3、BF3；故答案為：平面三角形；SO3、BF3。

⑷①上述兩種晶體原子在二維平面放置方式均為非密置層；故答案為：非密置層。

②錳離子半徑比鉀離子半徑小，帶電荷多，形成的金屬鍵強，因此金屬錳的熔點高于金屬鉀熔點；故答案為：錳離子半徑比鉀離子半徑小，價電子數更多，形成的金屬鍵強。

⑸結合圖像可知二維冰可看做由棱長為bpm、高為apm的六棱柱堆積而成，每個六棱柱的體積為，根據均攤法可知每個六棱柱平均含有水分子個數，因此二維冰的密度每個六棱柱的質量；故答案為：。