Question

12．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下所示，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（如图1）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（2）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]_n^2n-（或SiO₃^2-）．

Answer 1

分析 （1）原子中，离原子核越远的电子层其能量越高；该原子中含有3个s轨道、6个p轨道；
（2）硅属于亲氧元素，在自然界中主要以二氧化硅和硅酸盐存在；
（3）非金属元素之间易形成共价键；利用均摊法计算；
（4）可使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体是氨气，再根据元素守恒知还生成氯化镁MgCl₂；
（5）①键能越大形成的键越稳定；
②键能越大形成的化学键越稳定，键能越小越不稳定；
（6）利用均摊法计算其原子个数比，从而确定其化学式．

解答 解：（1）原子中，离原子核越远的电子层其能量越高，所以Si原子中M电子层能量最高；该原子中含有3个s轨道、6个p轨道，所以一共有9个轨道，电子数为4，
故答案为：M；9；4；
（2）硅属于亲氧元素，在自然界中不能以单质存在，主要以二氧化硅和硅酸盐存在，故答案为：二氧化硅；
（3）硅单质中硅硅之间以共价键结合，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）可使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体是氨气，再根据元素守恒知还生成氯化镁MgCl₂，所以反应方程式为：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄↑+4NH₃↑+2MgCl₂，
故答案为：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄↑+4NH₃↑+2MgCl₂；
（5）①键能越大形成的化学键越稳定，C-C键和C-H键的键能大于Si-Si键和Si-H键的键能，所以
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，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键能越大形成的化学键越稳定，CC-H键的键能大于Si-H键的键能，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，
故答案为：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）Si原子形成四个σ键，Si原子的杂化形式为sp³，根据图片知，每个三角锥结构中Si原子是1个，O原子个数=2+2×$\frac{1}{2}$=3，所以硅原子和氧原子个数之比=1：3，3个O原子带6个单位负电荷，每个硅原子带4个单位正电荷，所以形成离子为[SiO₃]_n^2n- （或SiO₃^2-），
故答案为：sp³；1：3；[SiO₃]_n^2n- （或SiO₃^2-）．

点评 本题以硅及其化合物为载体考查了晶胞的计算、键能、原子结构等知识点，这些知识点都是考试热点，熟练掌握并灵活运用基础知识解答问题，利用均摊法计算晶胞，注意硅原子3p轨道有一个空轨道，但计算轨道数时要算上空轨道，为易错点．