Question

[化学—选修3：物质结构与性质]（15分）

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       ，该能层具有的原子轨道数为        、电子数为           。

（2）硅主要以硅酸盐、           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           相结合，其晶胞中共有8个原子，其中在面心位置贡献          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                                     。

（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      。

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

（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      ，Si与O的原子数之比为         ，化学式为                  。

 

Answer 1

【答案】

（1）M      9       4

（2）二氧化硅

（3）共价键       3

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

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

【解析】

（1）基态Si原子中，有14个电子，核外电子排布式为1s²2s²2p⁶3s²3p²，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1个s轨道，3个p轨道，5个d轨道。

（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都属于原子晶体，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为6×1/2＝3个原子。

（4）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）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①C—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为四面体结构，所以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]2n- n(或SiO2- 3)。

【考点定位】物质结构与性质、核外电子排布、化学键、杂化类型、晶体结构