Question

[化學——選修3：物質結構與性質]（15分）
硅是重要的半導體材料，構成了現代電子工業的基礎。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NH₄C1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：

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                。

Answer 1

（1）M   9   4
（2）二氧化硅
（3）共價鍵   3
（4）Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+4NH₃+2MgCl₂
（5）①C—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。導致長鏈硅烷難形成。
②C—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）sp³    1：3     SiO₃^2-

試題分析：⑴根據硅的原子序數為14，其基態原子的電子排布式為1s²2s²2p⁶3s²3p²，則電子占據的最高能層符號為M（第三層），該能層具有的原子軌道數為9，電子數為4。
⑵硅主要以硅酸鹽、二氧化硅等化合物的形式存在于地殼中。
⑶單質硅屬于原子晶體，其中原子與原子之間以共價鍵相結合，其晶胞中共有8個原子，有6個位于面心，故在面心位置貢獻3個原子。
⑷Mg₂Si和NH₄C1反應制備SiH₄，據原子守恒生成物還有NH₃和MgCl₂，最后根據觀察法將其配平。
⑸①由于非金屬性C＞Si，又據表中C－C鍵和C－H鍵的鍵能比Si－Si 、Si－H的鍵能大，故形成的烷烴比硅烷穩定，同時也導致長鏈硅烷難以生成，故硅烷在種類和數量上都遠不如烷烴多。
②由于C－H鍵的鍵能大于C－O鍵，說明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鍵不穩定更傾向于生成更穩定的Si－O鍵，故SiH₄的穩定性小于CH₄，更易生成氧化物。
⑹根據“SiO₄^4－的四面體”結構，可知其Si原子的雜化形式為sp³；Si與O的原子數之比為1：（2+2×）＝1：3（注意：每個結構單元中有2個氧原子與其它2個結構單元共用）。