Question

6．硅是重要的半导体材料，构成了现代电子工业的基础．请回答下列问题：
（1）基态Si原子中，电子占据的最高能层符号为M，该能层具有的原子轨道数为9、电子数为4．
（2）硅主要以硅酸盐、二氧化硅等化合物的形式存在于地壳中．
（3）单质硅存在与金刚石结构类似的晶体，其中原子与原子之间以共价键相结合，其晶胞中共有8个原子，其中在面心位置贡献3个原子．
（4）单质硅可通过甲硅烷（SiH₄）分解反应来制备．工业上采用Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介质中反应制得SiH₄，该反应的化学方程式为Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+4NH₃+2MgCl₂．
（5）碳和硅的有关化学键键能如表所示，简要分析和解释下列有关事实：

化学键	C-C	C-H	C-O	Si-Si	Si-H	Si-O
键能/（kJ•mol-1	356	413	336	226	318	452

①硅与碳同族，也有系列氢化物，但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多，原因是C-C键和C-H键较强，所形成的烷烃稳定，而硅烷中Si-Si键和Si-H键的键能较低，易断裂，导致长链硅烷难以生成．
②SiH₄的稳定性小于CH₄，更易生成氧化物，原因是C-H键的键能大于C-O键，C-H键比C-O键稳定，而Si-H键的键能却远小于Si-O键，所以Si-H键不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si-O键．
（6）在硅酸盐中，SiO₄^4-四面体（如下图（a））通过共用顶角氧离子可形成岛状、链状、层状、骨架网状四大类结构型式．图（b）为一种无限长单链结构的多硅酸根，其中Si原子的杂化形式为sp³，Si与O的原子数之比为1：3，化学式为SiO₃^2-．

Answer 1

分析 （1）硅原子核外有14个电子，其基态原子的核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p² ，对应能层分别别为K、L、M，其中能量最高的是最外层M层，该能层有s、p、d三个能级，s能级有1个轨道，p能级有3个轨道，d能级有5个轨道，所以共有9个原子轨道，硅原子的M能层有4个电子（3s²3p²）；
（2）硅元素在自然界中主要以化合态（二氧化硅和硅酸盐）形式存在；
（3）硅晶体和金刚石晶体类似都属于原子晶体，硅原子之间以共价键结合；利用均摊法计算；
（4）Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介质中反应制得SiH₄、NH₃和MgCl₂；
（5）①烷烃中的C-C键和C-H键大于硅烷中的Si-Si键和Si-H键的键能；
②键能越大、物质就越稳定，C-H键的键能大于C-O键，故C-H键比C-O键稳定，而Si-H键的键能远小于Si-O键，所以Si-H键不稳定而倾向与形成稳定性更强的Si-O键；
（6）硅酸盐中的硅酸根SiO₄^4-为正四面体结构，所以中心原子Si原子采取了sp³杂化方式；根据图（b）的一个结构单元中含有1个硅、3个氧原子，化学式为SiO₃^2-．

解答 解：（1）硅原子核外有14个电子，其基态原子的核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p² ，对应能层分别别为K、L、M，其中能量最高的是最外层M层，该能层有s、p、d三个能级，s能级有1个轨道，p能级有3个轨道，d能级有5个轨道，所以共有9个原子轨道，硅原子的M能层有4个电子（3s²3p²），
故答案为：M；9；4；
（2）硅元素在自然界中主要以化合态（二氧化硅和硅酸盐）形式存在，
故答案为：二氧化硅；
（3）硅晶体和金刚石晶体类似都属于原子晶体，硅原子之间以共价键结合；硅晶胞中每个顶点上有1个Si、面心是有1个Si、在晶胞内部含有4个Si原子，利用均摊法知，面心提供的硅原子个数=6×$\frac{1}{2}$=3，
故答案为：共价键；3；
（4）Mg₂Si和NH₄Cl在液氨介质中反应制得SiH₄、NH₃和MgCl₂，方程式为：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+4NH₃+2MgCl₂，
故答案为：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+4NH₃+2MgCl₂；
（5）①烷烃中的C-C键和C-H键大于硅烷中的Si-Si键和Si-H键的键能，所以硅烷中Si-Si键和Si-H键的键能易断裂，导致长链硅烷难以生成，
故答案为：C-C键和C-H键较强，所形成的烷烃稳定，而硅烷中Si-Si键和Si-H键的键能较低，易断裂，导致长链硅烷难以生成；
②键能越大、物质就越稳定，C-H键的键能大于C-O键，故C-H键比C-O键稳定，而Si-H键的键能远小于Si-O键，所以Si-H键不稳定而倾向与形成稳定性更强的Si-O键，
故答案：C-H键的键能大于C-O键，C-H键比C-O键稳定，而Si-H键的键能却远小于Si-O键，所以Si-H键不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si-O键；
（6）硅酸盐中的硅酸根SiO₄^4-为正四面体结构，所以中心原子Si原子采取了sp³杂化方式；根据图（b）的一个结构单元中含有1个硅、3个氧原子，化学式为SiO₃^2-，
故答案为：sp³；1：3；SiO₃^2-．

点评 本题主要考查了基态原子的核外电子排布、晶体结构、化学方程式的书写、杂化轨道、化学键等知识，难度中等．