Question

3．硅是重要的半導(dǎo)體材料，構(gòu)成了現(xiàn)代電子工業(yè)的基礎(chǔ)．請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）基態(tài)Si原子中，電子占據(jù)的最高能層符號(hào)為M，該能層具有的原子軌道數(shù)為9、電子數(shù)為4．
（2）硅主要以硅酸鹽、二氧化硅等化合物的形式存在于地殼中．
（3）單質(zhì)硅存在與金剛石結(jié)構(gòu)類(lèi)似的晶體，其中原子與原子之間以共價(jià)鍵相結(jié)合，其晶胞中共有8個(gè)原子，其中在面心位置貢獻(xiàn)3個(gè)原子．
（4）單質(zhì)硅可通過(guò)甲硅烷（SiH₄）分解反應(yīng)來(lái)制備．工業(yè)上采用Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介質(zhì)中反應(yīng)制得SiH₄，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+4NH₃+2MgCl₂．
（5）碳和硅的有關(guān)化學(xué)鍵鍵能如下所示，簡(jiǎn)要分析和解釋下列有關(guān)事實(shí)：

化學(xué)鍵	C-C	C-H	C-O	Si-Si	Si-H	Si-O
鍵能/（kJ•mol-1）	356	413	336	226	318	452

①硅與碳同族，也有系列氫化物，但硅烷在種類(lèi)和數(shù)量上都遠(yuǎn)不如烷烴多，原因是C-C鍵和C-H鍵較強(qiáng)，所形成的烷烴穩(wěn)定．而硅烷中Si-Si鍵和Si-H鍵的鍵能較低，易斷裂，導(dǎo)致長(zhǎng)鏈硅烷難以生成．
②SiH₄的穩(wěn)定性小于CH₄，更易生成氧化物，原因是C-H鍵的鍵能大于C-O鍵，C-H鍵比C-O鍵穩(wěn)定．而Si-H鍵的鍵能卻遠(yuǎn)小于Si-O鍵，所以Si-H鍵不穩(wěn)定而傾向于形成穩(wěn)定性更強(qiáng)的Si-O鍵．
（6）在硅酸鹽中，SiO₄^4-四面體；如圖（a）通過(guò)共用頂角氧離子可形成島狀、鏈狀、層狀、骨架網(wǎng)狀四大類(lèi)結(jié)構(gòu)型式．圖（b）為一種無(wú)限長(zhǎng)單鏈結(jié)構(gòu)的多硅酸根，其中Si原子的雜化形式為sp³，Si與O的原子數(shù)之比為1：3，化學(xué)式為SiO₃^2-．

Answer 1

分析 （1）Si原子核外電子數(shù)為14，基態(tài)原子核外電子排布為1s²2s²2p⁶3s²3p²，據(jù)此解答；
（2）硅在自然界中，無(wú)游離態(tài)，以化合態(tài)存在；
（3）硅晶體和金剛石晶體類(lèi)似都屬于原子晶體，硅原子之間以共價(jià)鍵結(jié)合．在金剛石晶體的晶胞中，每個(gè)面心有一個(gè)碳原子（晶體硅類(lèi)似結(jié)構(gòu)），則面心位置貢獻(xiàn)的原子為 6×$\frac{1}{2}$=3個(gè)；
（4）Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介質(zhì)中反應(yīng)制得SiH₄、NH₃和MgCl₂；
（5）①鍵能越小，化學(xué)鍵越不穩(wěn)定；
②鍵能越小，化學(xué)鍵越不穩(wěn)定，反應(yīng)傾向于形成穩(wěn)定性更強(qiáng)方向進(jìn)行；
（6）硅酸鹽中的硅酸根（SiO₄^4-）為正四面體結(jié)構(gòu)，所以中心原子Si原子采取了sp³雜化方式；根據(jù)圖（b）的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中含有1個(gè)硅、3個(gè)氧原子，化學(xué)式為SiO₃^2-；3）Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介質(zhì)中反應(yīng)制得SiH₄、NH₃和MgCl₂．

解答 解：（1）Si原子核外電子數(shù)為14，基態(tài)原子核外電子排布為1s²2s²2p⁶3s²3p²，電子占據(jù)的最高能層符號(hào)為M，該能層具有的原子軌道數(shù)為1+3+5=9、電子數(shù)為4，
故答案為：M；9；4；
（2）硅主要以硅酸鹽、二氧化硅等形式存在，故答案為：二氧化硅；
 （3））硅晶體和金剛石晶體類(lèi)似都屬于原子晶體，硅原子之間以共價(jià)鍵結(jié)合．在金剛石晶體的晶胞中，每個(gè)面心有一個(gè)碳原子（晶體硅類(lèi)似結(jié)構(gòu)），則面心位置貢獻(xiàn)的原子為 6×$\frac{1}{2}$=3個(gè)；
故答案為：共價(jià)鍵；3；
（4）Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介質(zhì)中反應(yīng)制得SiH₄、NH₃和MgCl₂，化學(xué)方程式：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+4NH₃+2MgCl₂；
故答案為：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+4NH₃+2MgCl₂；
（5）①由表中數(shù)據(jù)可知，C-C鍵和C-H鍵較強(qiáng)，所形成的烷烴穩(wěn)定．而硅烷中Si-Si鍵和Si-H鍵的鍵能較低，易斷裂，導(dǎo)致長(zhǎng)鏈硅烷難以生成，
故答案為：C-C鍵和C-H鍵較強(qiáng)，所形成的烷烴穩(wěn)定．而硅烷中Si-Si鍵和Si-H鍵的鍵能較低，易斷裂，導(dǎo)致長(zhǎng)鏈硅烷難以生成；
②由表中數(shù)據(jù)可知，C-H鍵的鍵能大于C-O鍵，C-H鍵比C-O鍵穩(wěn)定．而Si-H鍵的鍵能卻遠(yuǎn)小于Si-O鍵，所以Si-H鍵不穩(wěn)定而傾向于形成穩(wěn)定性更強(qiáng)的Si-O鍵，
故答案為：C-H鍵的鍵能大于C-O鍵，C-H鍵比C-O鍵穩(wěn)定．而Si-H鍵的鍵能卻遠(yuǎn)小于Si-O鍵，所以Si-H鍵不穩(wěn)定而傾向于形成穩(wěn)定性更強(qiáng)的Si-O鍵；
（6）硅酸鹽中的硅酸根（SiO₄^4-）為正四面體結(jié)構(gòu)，所以中心原子Si原子采取了sp³雜化方式；
根據(jù)圖（b）的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中含有1個(gè)硅、3個(gè)氧原子，化學(xué)式為SiO₃^2-；
故答案為：sp³；1：3；SiO₃^2-．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查了基態(tài)原子的核外電子排布、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)、雜化軌道、化學(xué)鍵等知識(shí)，題目難度中等，注意鍵能對(duì)物質(zhì)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的影響．