Question

6．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)化學鍵鍵能如表所示，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，化學式為SiO₃^2-．

Answer 1

分析 （1）硅原子核外有14個電子，其基態(tài)原子的核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p² ，對應能層分別別為K、L、M，其中能量最高的是最外層M層，該能層有s、p、d三個能級，s能級有1個軌道，p能級有3個軌道，d能級有5個軌道，所以共有9個原子軌道，硅原子的M能層有4個電子（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似都屬于原子晶體，硅原子之間以共價鍵結(jié)合；利用均攤法計算；
（4）Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介質(zhì)中反應制得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）的一個結(jié)構(gòu)單元中含有1個硅、3個氧原子，化學式為SiO₃^2-．

解答 解：（1）硅原子核外有14個電子，其基態(tài)原子的核外電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p² ，對應能層分別別為K、L、M，其中能量最高的是最外層M層，該能層有s、p、d三個能級，s能級有1個軌道，p能級有3個軌道，d能級有5個軌道，所以共有9個原子軌道，硅原子的M能層有4個電子（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似都屬于原子晶體，硅原子之間以共價鍵結(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）Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介質(zhì)中反應制得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、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）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）的一個結(jié)構(gòu)單元中含有1個硅、3個氧原子，化學式為SiO₃^2-，
故答案為：sp³；1：3；SiO₃^2-．

點評 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)、化學方程式的書寫、雜化軌道、化學鍵等知識，難度中等．