Question

13．氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，具有优良性能．
（1）基态氮原子的电子排布式为1s²2s²2p³，基态硅原子未成对电子数是3，碳、氮、硅的电负性由大到小的顺序是N＞C＞Si．
（2）碳热还原法制氮化硅是在氮气中用碳还SiO₂，写出该反应的化学方程式：6C+2N₂+3SiO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Si₃N₄+6CO．氮化硅一般不与酸反应，但能与氢氟酸反应，写出氮化硅与过 量氢氟酸反应的化学方程式：Si₃N₄+16HF=3SiF₄+4NH₄F．
（3）三氯化硅烷（SiHCl₃）也可用于制备氮化硅，三氯硅烷分子的空间构型为四面体形，其分子中硅原子的杂化轨道类型为sp³杂化．
（4）氮化硅与碳化硅、氮化硼等作用可产生结合材料，改善性能．氮化硅、碳化硅的化学性质都很稳定，其原因是晶体中原子之间形成共价键，键能大，键牢固．
（5）碳化硅立方晶系晶胞如图所示，C-Si-C键的夹角是109°28′，其晶体类型是原子晶体，若立方晶系的碳化硅密度为ρg•cm^-3，N_A表示阿伏加德罗常数的值，则晶胞的棱长为$\root{3}{\frac{160}{ρ{N}_{A}}}$．

Answer 1

分析 （1）N原子核外电子数为7，由能量最低原理可知核外电子排布式为1s²2s²2p³；同周期自左而右电负性增大，同主族自上而下电负性减小；
（2）碳热还原法制氮化硅是在氮气中用碳还SiO₂，反应生成Si₃N₄、CO，氮化硅一般不与酸反应，但能与氢氟酸反应，反应生成SiF₄与NH₄F；
（3）三氯化硅烷（SiHCl₃）分子中Si原子形成4个σ键，没有孤对电子，杂化轨道数目为4；
（4）氮化硅、碳化硅晶体中原子之间形成共价键，键能大；
（5）碳化硅立方晶系晶胞中，体内Si原子与周围的4个C原子形成正四面体结构；原子之间形成共价键，向空间延伸的立体网状结构，属于原子晶体；根据均摊法计算晶胞中Si、C原子数目，用阿伏伽德罗常数表示出晶胞质量，再结合m=ρV计算晶胞体积，而晶胞棱长=$\root{3}{{V}_{晶胞}}$．

解答 解：（1）N原子核外电子数为7，由能量最低原理可知核外电子排布式为1s²2s²2p³，2p能级3个电子分别占据1个轨道，单电子数目为3，同周期自左而右电负性增大，同主族自上而下电负性减小，故电负性N＞C＞Si，
故答案为：1s²2s²2p³；3；N＞C＞Si；
（2）碳热还原法制氮化硅是在氮气中用碳还SiO₂，反应生成Si₃N₄、CO，化学方程式为：6C+2N₂+3SiO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Si₃N₄+6CO，氮化硅一般不与酸反应，但能与氢氟酸反应，反应生成SiF₄与NH₄F，反应方程式为：Si₃N₄+16HF=3SiF₄+4NH₄F，
故答案为：6C+2N₂+3SiO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Si₃N₄+6CO；Si₃N₄+16HF=3SiF₄+4NH₄F；
（3）三氯化硅烷（SiHCl₃）分子中Si原子形成4个σ键，没有孤对电子，三氯硅烷分子的空间构型为四面体形，杂化轨道数目为4，Si原子采取sp³杂化，
故答案为：四面体形；sp³杂化；
（4）氮化硅、碳化硅晶体中原子之间形成共价键，键能大，键牢固，化学性质稳定，
故答案为：晶体中原子之间形成共价键，键能大，键牢固；
（5）碳化硅立方晶系晶胞中，体内Si原子与周围的4个C原子形成正四面体结构，C-Si-C键的夹角是109°28′；原子之间形成共价键，向空间延伸的立体网状结构，属于原子晶体；
晶胞中Si原子数目为4、C原子数目为8×$\frac{1}{8}$+6×$\frac{1}{2}$=4，则晶胞质量为$\frac{4×（28+12）}{{N}_{A}}$g，化硅密度为ρg•cm^-3，则晶胞棱长=$\root{3}{\frac{\frac{4×（28+12）}{{N}_{A}}}{ρg•c{m}^{-3}}}$=$\root{3}{\frac{160}{ρ{N}_{A}}}$cm，
故答案为：109°28′；原子晶体；$\root{3}{\frac{160}{ρ{N}_{A}}}$．

点评 本题是对物质结构与性质的考查，涉及核外电子排布、电负性、杂化方式与空间构型判断、晶胞计算等，掌握均摊法进行晶胞有关计算，注意对基础知识的理解掌握．