Question

12．硅是重要的半導體材料，構(gòu)成了現(xiàn)代電子工業(yè)的基礎(chǔ)．請回答下列問題：
（1）基態(tài)Si原子中，電子占據(jù)的最高能層符號為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)類似的晶體，其中原子與原子之間以共價鍵相結(jié)合，其晶胞中共有8個原子，其中在面心位置貢獻3個原子．
（4）單質(zhì)硅可通過甲硅烷（SiH₄）分解反應來制備．工業(yè)上采用Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介質(zhì)中反應制得SiH₄，該反應的化學方程式為Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄↑+4NH₃↑+2MgCl₂．
（5）碳和硅的有關(guān)化學鍵鍵能如下所示，簡要分析和解釋下列有關(guān)事實：

化學鍵	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，但硅烷在種類和數(shù)量上都遠不如烷烴多，原因是C-C鍵和C-H鍵較強，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，導致長鏈硅烷難以生成．
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)定性更強的Si-O鍵．
（6）在硅酸鹽中，SiO4-4四面體（如圖1）通過共用頂角氧離子可形成島狀、鏈狀、層狀、骨架網(wǎng)狀四大類結(jié)構(gòu)型式．圖（2）為一種無限長單鏈結(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，化學式為[SiO₃]_n^2n-（或SiO₃^2-）．

Answer 1

分析 （1）原子中，離原子核越遠的電子層其能量越高；該原子中含有3個s軌道、6個p軌道；
（2）硅屬于親氧元素，在自然界中主要以二氧化硅和硅酸鹽存在；
（3）非金屬元素之間易形成共價鍵；利用均攤法計算；
（4）可使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍的氣體是氨氣，再根據(jù)元素守恒知還生成氯化鎂MgCl₂；
（5）①鍵能越大形成的鍵越穩(wěn)定；
②鍵能越大形成的化學鍵越穩(wěn)定，鍵能越小越不穩(wěn)定；
（6）利用均攤法計算其原子個數(shù)比，從而確定其化學式．

解答 解：（1）原子中，離原子核越遠的電子層其能量越高，所以Si原子中M電子層能量最高；該原子中含有3個s軌道、6個p軌道，所以一共有9個軌道，電子數(shù)為4，
故答案為：M；9；4；
（2）硅屬于親氧元素，在自然界中不能以單質(zhì)存在，主要以二氧化硅和硅酸鹽存在，故答案為：二氧化硅；
（3）硅單質(zhì)中硅硅之間以共價鍵結(jié)合，硅晶胞中每個頂點上有1個Si、面心是有1個Si、在晶胞內(nèi)部含有4個Si原子，利用均攤法知，面心提供的硅原子個數(shù)=6×$\frac{1}{2}$=3，
故答案為：共價鍵；3；
（4）可使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍的氣體是氨氣，再根據(jù)元素守恒知還生成氯化鎂MgCl₂，所以反應方程式為：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄↑+4NH₃↑+2MgCl₂，
故答案為：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄↑+4NH₃↑+2MgCl₂；
（5）①鍵能越大形成的化學鍵越穩(wěn)定，C-C鍵和C-H鍵的鍵能大于Si-Si鍵和Si-H鍵的鍵能，所以
C-C鍵和C-H鍵較強，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，導致長鏈硅烷難以生成，故答案為：C-C鍵和C-H鍵較強，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，導致長鏈硅烷難以生成；
②鍵能越大形成的化學鍵越穩(wěn)定，CC-H鍵的鍵能大于Si-H鍵的鍵能，而Si-H鍵的鍵能卻遠小于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)定性更強的Si-O鍵；
（6）Si原子形成四個σ鍵，Si原子的雜化形式為sp³，根據(jù)圖片知，每個三角錐結(jié)構(gòu)中Si原子是1個，O原子個數(shù)=2+2×$\frac{1}{2}$=3，所以硅原子和氧原子個數(shù)之比=1：3，3個O原子帶6個單位負電荷，每個硅原子帶4個單位正電荷，所以形成離子為[SiO₃]_n^2n- （或SiO₃^2-），
故答案為：sp³；1：3；[SiO₃]_n^2n- （或SiO₃^2-）．

點評 本題以硅及其化合物為載體考查了晶胞的計算、鍵能、原子結(jié)構(gòu)等知識點，這些知識點都是考試熱點，熟練掌握并靈活運用基礎(chǔ)知識解答問題，利用均攤法計算晶胞，注意硅原子3p軌道有一個空軌道，但計算軌道數(shù)時要算上空軌道，為易錯點．