Question

15．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)．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(hào)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(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)硅可通過甲硅烷（SiH₄）分解反應(yīng)來制備．工業(yè)上采用Mg₂Si和NH₄CI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）	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(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，SiO₄4-四面體（如下圖a）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b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(xué)式為SiO₃^2-．

Answer 1

分析 （1）原子中，離原子核越遠(yuǎn)的電子層其能量越高；該原子中含有3個(gè)s軌道、6個(gè)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(jià)鍵；利用均攤法計(jì)算；
（4）Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介質(zhì)中反應(yīng)制得SiH₄、NH₃和MgCl₂；
（5）①烷烴中的C-C鍵和C-H鍵大于硅烷中的Si-Si鍵和Si-H鍵的鍵能；
②鍵能越大、物質(zhì)就越穩(wěn)定，C-H鍵的鍵能大于C-O鍵，故C-H鍵比C-O鍵穩(wěn)定，而Si-H鍵的鍵能遠(yuǎn)小于Si-O鍵，所以Si-H鍵不穩(wěn)定而傾向與形成穩(wěn)定性更強(qiáng)的Si-O鍵；
（6）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-．

解答 解：（1）原子中，離原子核越遠(yuǎn)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(gè)s軌道、6個(gè)p軌道，所以一共有9個(gè)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(jià)鍵結(jié)合，硅晶胞中每個(gè)頂點(diǎn)上有1個(gè)Si、面心是有1個(gè)Si、在晶胞內(nèi)部含有4個(gè)Si原子，利用均攤法知，面心提供的硅原子個(gè)數(shù)=6×$\frac{1}{2}$=3，
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，方程式為：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+4NH₃+2MgCl₂，故答案為：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+4NH₃+2MgCl₂；
（5）①烷烴中的C-C鍵和C-H鍵大于硅烷中的Si-Si鍵和Si-H鍵的鍵能，所以硅烷中Si-Si鍵和Si-H鍵的鍵能易斷裂，導(dǎo)致長鏈硅烷難以生成，
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)致長鏈硅烷難以生成；
②鍵能越大、物質(zhì)就越穩(wěn)定，C-H鍵的鍵能大于C-O鍵，故C-H鍵比C-O鍵穩(wěn)定，而Si-H鍵的鍵能遠(yuǎn)小于Si-O鍵，所以Si-H鍵不穩(wěn)定而傾向與形成穩(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）根據(jù)圖（b）的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中含有1個(gè)硅、2+2×$\frac{1}{2}$=3個(gè)氧原子，化學(xué)式為SiO₃^2-，其中Si原子的雜化形式是sp3，
故答案為：sp3；1：3；SiO₃^2-．

點(diǎn)評(píng) 本題以硅及其化合物為載體考查了晶胞的計(jì)算、等知識(shí)點(diǎn)，這些知識(shí)點(diǎn)都是考試熱點(diǎn)，熟練掌握并靈活運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)解答問題，易錯(cuò)點(diǎn)是（1）．