Question

3．硅是重要的半導體材料，構成了現代電子工業的基礎．請回答下列問題：
（1）基態Si原子中，電子占據的最高能層符號為M，該能層具有的原子軌道數為9、電子數為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）單質硅存在與金剛石結構類似的晶體，其中原子與原子之間以共價鍵相結合，其晶胞中共有8個原子，其中在面心位置貢獻3個原子．
（4）單質硅可通過甲硅烷（SiH₄）分解反應來制備．工業上采用Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介質中反應制得SiH₄，該反應的化學方程式為Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+4NH₃+2MgCl₂．
（5）碳和硅的有關化學鍵鍵能如下所示，簡要分析和解釋下列有關事實：

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鍵穩定．而Si-H鍵的鍵能卻遠小于Si-O鍵，所以Si-H鍵不穩定而傾向于形成穩定性更強的Si-O鍵．
（6）在硅酸鹽中，SiO₄^4-四面體；如圖（a）通過共用頂角氧離子可形成島狀、鏈狀、層狀、骨架網狀四大類結構型式．圖（b）為一種無限長單鏈結構的多硅酸根，其中Si原子的雜化形式為sp³，Si與O的原子數之比為1：3，化學式為SiO₃^2-．

Answer 1

分析 （1）Si原子核外電子數為14，基態原子核外電子排布為1s²2s²2p⁶3s²3p²，據此解答；
（2）硅在自然界中，無游離態，以化合態存在；
（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合．在金剛石晶體的晶胞中，每個面心有一個碳原子（晶體硅類似結構），則面心位置貢獻的原子為 6×$\frac{1}{2}$=3個；
（4）Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介質中反應制得SiH₄、NH₃和MgCl₂；
（5）①鍵能越小，化學鍵越不穩定；
②鍵能越小，化學鍵越不穩定，反應傾向于形成穩定性更強方向進行；
（6）硅酸鹽中的硅酸根（SiO₄^4-）為正四面體結構，所以中心原子Si原子采取了sp³雜化方式；根據圖（b）的一個結構單元中含有1個硅、3個氧原子，化學式為SiO₃^2-；3）Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介質中反應制得SiH₄、NH₃和MgCl₂．

解答 解：（1）Si原子核外電子數為14，基態原子核外電子排布為1s²2s²2p⁶3s²3p²，電子占據的最高能層符號為M，該能層具有的原子軌道數為1+3+5=9、電子數為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似都屬于原子晶體，硅原子之間以共價鍵結合．在金剛石晶體的晶胞中，每個面心有一個碳原子（晶體硅類似結構），則面心位置貢獻的原子為 6×$\frac{1}{2}$=3個；
故答案為：共價鍵；3；
（4）Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介質中反應制得SiH₄、NH₃和MgCl₂，化學方程式：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+4NH₃+2MgCl₂；
故答案為：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+4NH₃+2MgCl₂；
（5）①由表中數據可知，C-C鍵和C-H鍵較強，所形成的烷烴穩定．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由表中數據可知，C-H鍵的鍵能大于C-O鍵，C-H鍵比C-O鍵穩定．而Si-H鍵的鍵能卻遠小于Si-O鍵，所以Si-H鍵不穩定而傾向于形成穩定性更強的Si-O鍵，
故答案為：C-H鍵的鍵能大于C-O鍵，C-H鍵比C-O鍵穩定．而Si-H鍵的鍵能卻遠小于Si-O鍵，所以Si-H鍵不穩定而傾向于形成穩定性更強的Si-O鍵；
（6）硅酸鹽中的硅酸根（SiO₄^4-）為正四面體結構，所以中心原子Si原子采取了sp³雜化方式；
根據圖（b）的一個結構單元中含有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原子的核外電子排布、晶體結構、化學方程式的書寫、雜化軌道、化學鍵等知識，題目難度中等，注意鍵能對物質性質及結構的影響．