Question

【題目】[化學—選修3：物質結構與性質]

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/(kJmol-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】M 9 4 二氧化硅 共價鍵 3 Mg2Si + 4NH4Cl = SiH4+ 4NH3+ 2MgCl2 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 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 sp3 1∶3 SiO32-

【解析】

（1）硅原子核外有14個電子，其基態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（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×=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，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、物質就越穩定，C-H鍵的鍵能大于C-O鍵，故C-H鍵比C-O鍵穩定，而Si-H鍵的鍵能遠小于Si-O鍵，所以Si-H鍵不穩定而傾向與形成穩定性更強的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（SiO44-）為正四面體結構，所以中心原子Si原子采取了sp3雜化方式；

故答案為sp3；

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SiO32-；

故答案為1：3；SiO32-。