Question

[化學(xué)-選修3：物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)]
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，SiO

4- 4

四面體（如下圖（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）硅原子核外有14個(gè)電子，其基態(tài)原子的核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p² ，對(duì)應(yīng)能層分別別為K、L、M，其中能量最高的是最外層M層，該能層有s、p、d三個(gè)能級(jí)，s能級(jí)有1個(gè)軌道，p能級(jí)有3個(gè)軌道，d能級(jí)有5個(gè)軌道，所以共有9個(gè)原子軌道，硅原子的M能層有4個(gè)電子（3s²3p²）；
（2）硅元素在自然界中主要以化合態(tài)（二氧化硅和硅酸鹽）形式存在；
（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×

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）硅酸鹽中的硅酸根（SiO

4- 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-；

解答：解：（1）硅原子核外有14個(gè)電子，其基態(tài)原子的核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p² ，對(duì)應(yīng)能層分別別為K、L、M，其中能量最高的是最外層M層，該能層有s、p、d三個(gè)能級(jí)，s能級(jí)有1個(gè)軌道，p能級(jí)有3個(gè)軌道，d能級(jí)有5個(gè)軌道，所以共有9個(gè)原子軌道，硅原子的M能層有4個(gè)電子（3s²3p²）；
故答案為：M；9；4；
（2）硅元素在自然界中主要以化合態(tài)（二氧化硅和硅酸鹽）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×

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，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(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：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（SiO

4- 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；
故答案為：sp³ 
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：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)，難度中等．