Question

[化學—選修3：物質結構與性質]（15分）

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       ，該能層具有的原子軌道數為        、電子數為           。

（2）硅主要以硅酸鹽、           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           相結合，其晶胞中共有8個原子，其中在面心位置貢獻          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                                     。

（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      。

②SiH₄的穩定性小于CH₄，更易生成氧化物，原因是                           。

（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      ，Si與O的原子數之比為         ，化學式為                  。

 

Answer 1

【答案】

（1）M      9       4

（2）二氧化硅

（3）共價鍵       3

（4）Mg₂Si + 4NH₄Cl = SiH₄ + 4NH₃ + 2MgCl₂

（5）①C—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。②C—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）sp³         1∶3         [SiO₃]2n- n(或SiO2- 3)

【解析】

（1）基態Si原子中，有14個電子，核外電子排布式為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個s軌道，3個p軌道，5個d軌道。

（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都屬于原子晶體，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為6×1/2＝3個原子。

（4）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）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①C—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為四面體結構，所以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]2n- n(或SiO2- 3)。

【考點定位】物質結構與性質、核外電子排布、化學鍵、雜化類型、晶體結構