高中化学第4章材料家族中的元素第1节硅无机非金属材料第1课时教

第4章材料家族中的元素 第1节 硅 无机非金属材料第1课时

【教学目标】

知识与技能 掌握硅、二氧化硅的物理化学性质，粗硅的制法。认识硅、二氧化硅作为无机非金属材料的特性及其用途，了解硅酸盐等无机非金属材料的基本组成、性能、用途。

过程与方法 学习从不同的角度出发对常见材料进行分类的方法，能根据同一类别不同物质的性质归纳出该类物质的通性，并能运用通性简单预测其他物质的性质。

情感态度与价值观

通过对作为计算机、光通信等高科技关键材料的硅、二氧化硅等

无机非金属材料的学习，利用学生对高科技的浓烈兴趣，激发学生对化学的兴趣，通过对我国从古到今，从烧制陶瓷到现代科技成就的介绍，培养学生的民族自豪感。 【教学过程】

材料是人类生活必不可少的物质基础。材料的发展史就是一部人类文明史。没有感光材料，我们就无法留下青春的回忆；没有特殊的荧光材料，就没有彩色电视；没有高纯的单晶硅，就没有今天的奔腾电脑；没有特殊的新型材料，火箭就无法上天，卫星就无法工作。科技的发展和社会的进步往往受到材料的制约。一种新材料的发现可能会给社会带来革命性的变化。新材料的不断涌现，旧材料功能的不断拓展，才使我们的世界日新月异，奔腾向前。 一、半导体材料与单质硅

1．半导体材料

（1）半导体材料特指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料。最早使用的半导体材料是锗，但因其含量低，提炼工艺复杂，价格昂贵，而不适合广泛使用。目前广泛使用的半导体材料是硅元素，在地壳中含量居第二位，该元素全部以化合态存在于自然界中，储量丰富。常见的有晶体硅和无定形硅等形式存在。

（2）半导体材料的用途

物质的电阻率介于导体和绝缘体之间(电阻率在10－3~108欧姆·厘米之间)时，为半导体。半导体材料可以制造出具有各种功能的半导体器件来取代真空管用来整流、检波、放大，并有缩小电子设备体积、减轻重量、延长寿命、耐冲击、效率高和可靠性好等优点。用半导体材料制成的集成电路还可以将成千上万个分立的晶体管、电阻、电容等电子元件融为一体，使上述优点得到进一步发挥，广泛应用于通讯、电讯、电子计算机中。另外，超纯硅对红外光有很高的透过能力，可以用以制作红外聚焦透镜，对红外辐射目标进行夜间跟踪、照像、追击。利用半导体的导电能力随温度的升高或光线的照射而有显著的增大的特性，可以做成自动控制用的热敏元件(如热敏电阻等)和光敏元件。半导体材料是制作太阳能电池的主要材料．半导体材料还可制成激光二极管，用于激光通讯、测距和空间导航等方面。

2．单质硅

(1)存在：自然界中无单质硅，硅元素全部以化合态存在，如二氧化硅、硅酸盐等。化

1

合态的硅是构成地壳的矿石和岩石的主要成分，硅在地壳中的含量居第二位。

(2)物理性质：单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅呈灰黑色，有金属光泽，硬而脆，熔点很高(1410℃)，是良好的半导体材料。

(3)化学性质：

①在常温下，硅的化学性质不活泼，不与O2、Cl2、H2SO4、HNO3等发生反应，但能与F2、HF和强碱反应。例如：Si + 2NaOH + H2O ＝Na2SiO3 + 2H2↑；Si + 2F2 ＝SiF4；Si + 4HF ＝ SiF4↑+ 2H2↑。

②在加热时纯硅与某些非金属单质发生反应。如研细的硅能在氧气中燃烧：Si + O2 SiO2

(4)硅的制备

由于自然界中没有单质硅的存在，因此我们使用的硅，都是从它的化合物中提取的。在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅，将粗硅提纯后，可以得到半导体材料的高纯硅。

制粗硅： SiO2＋2C 制高纯硅： Si＋2Cl2 (5)硅的用途：

硅可用来制造集成电路，太阳能电池，硅整流器等。硅合金可用来制造变压器铁芯，耐酸设备等。

二、半导体材料介绍

自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，[1] 半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。

凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体半导体材料

半导体材料内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构,所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿(ZnS)的结构。 由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用

高温△ Si＋2CO ↑

SiCl4 SiCl4＋2H2

△△Si＋4HCl

2

的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999%～99.9999999%) 的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。

三、二氧化硅与光导纤维

1.二氧化硅的存在

二氧化硅广泛存在与自然界中，天然二氧化硅叫硅石。石英的主要成分为二氧化硅晶体，透明的石英晶体叫做水晶，含有有色杂质的石英晶体叫做玛瑙。另外二氧化硅也是构成岩石的重要成分。

2.二氧化硅的物理性质

纯净的二氧化硅晶体呈无色，熔点高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般的溶剂。 3.二氧化硅的化学性质

(1)二氧化硅是一种酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性

①二氧化硅在常温时可以与碱溶液缓慢反应生成盐和水：SiO2+ 2NaOH ＝ Na2SiO3 + H2 O

②二氧化硅在高温下可与碱性氧化物反应：SiO2 ＋ CaO (2)特性

①SiO2不溶于水，也不与水反应。

②二氧化硅在常温下与氢氟酸反应： Si O2＋4HF ＝ SiF4↑＋2H2O

③二氧化硅中的硅为＋4价，具有弱的氧化性，如在高温时，二氧化硅中的硅可以被碳置换出来。

思考：1．如何制取硅酸？ 2．保存氢氟酸、NaOH溶液时应该注意什么问题？ 提示：1．不能通过SiO2与H2O反应的方法来制取其对应的水化物——硅酸(H2SiO3)．制取H2SiO3的方法如下： Na2SiO3 + 2HCl ＝2NaCl + H2SiO3↓或 Na2SiO3 + CO2 + H2O ＝Na2CO3 + H2SiO3↓[硅酸(H2SiO3)不溶于水，其酸性比H2CO3还弱。]

4．氢氟酸不能保存在玻璃瓶中，应保存在塑料瓶中。NaOH 溶液不能保存在玻璃塞的玻璃瓶中，应保存在橡胶塞的玻璃瓶中或塑料瓶中。

5.SiO2与CO2的比较 与碱性氧化物反应 CO2 CaO＋CO2高温高温 CaSiO3

SiO2 CaCO3 CaO＋SiO2高温CaSiO3 3

与碱液的反应 与盐反应 与碳反应 与H2O作用 与酸反应 6.二氧化硅的用途 2NaOH＋CO2＝Na2CO3＋H2O Na2SiO3＋CO2＋H2O＝Na2CO3＋H2SiO3↓ SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O SiO2＋CaCO3高温高温高温CaSiO3＋ CO2↑ Na2SiO3＋CO2↑ Si＋2CO↑ Ca(ClO)2＋CO2＋H2O＝CaCO3↓＋2HClO SiO2＋Na2CO3C＋CO2＝2CO CO2＋H2O＝H2CO3 不反应 2C＋SiO2不与水化合 只与HF反应 SiO2＋4HF＝SiF4↑＋H2O (1)石英可用于制作石英表和石英玻璃。 (2)石英砂常用作制薄玻璃和建筑材料。

(3)水晶常用来制造电子部件、光学仪器、工艺品和眼镜片等。 (4)玛瑙用于制造精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品。 (5)SiO2 被用于制造高性能的现代通讯材料——光导纤维。 7.光导纤维

光导纤维，简称“光纤”，就是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃细丝。如果将许多根经过技术处理的光纤绕在一起，就得到我们常说的光缆。光导纤维是用石英玻璃制造的，制作时需要较高的技术，它传导光的能力非常强。如1000米长的单模光纤，重量只有27克，传送波长为1.55微米的激光时，每传播1000米，光能的损耗不到0.2分贝．若利用光缆通讯，能同时传输大量信息。光纤通信的优点有：

(1)信息容量大，一条光缆通路可同时容纳10亿人通话，也可同时传送多套电视节目。 (2)光纤的抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，能防窃听。 (3)光缆质量小而且细，不怕腐蚀，铺设方便。 (4)光纤通信损耗低，适合远距离信息传输。

另外，光导纤维在医学上也有很重要的应用。目前在医学领域，普遍使用着一种连接着许多光纤的胃镜，光纤胃镜的光源是在体外由光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的痛苦。在光导纤维的一头装着精致小巧的微型镜头，可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。光导纤维在医学上的另一个重要应用是通过微细的光纤将高强度的激光输入人体的病变部位，用激光来切除病变部位。这种“手术”不用切开皮肤和切割肌肉组织，而且切割部位准确，手术效果好。

除此以外，光导纤维还可用于信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等许多方面。 四、检测题

高温

1. 对于化学方程式SiO2＋3C=====SiC＋2CO↑，有关叙述正确的是( )

A．反应中SiO2是氧化剂，C是还原剂

4

B．硅元素被还原了，碳元素被氧化了 C．在反应中C既是氧化剂又是还原剂

D．在反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为2∶1 2. 下列变化中不能一步实现的是( )

A．Na2SiO3→H2SiO3 B．H2SiO3→SiO2 C．SiO2→H2SiO3 D．SiO2→Na2SiO3

3. 下列说法：①硅化学性质很稳定，因此硅在自然界中以游离态形式存在；②二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大的差异；③二氧化硅是一种酸性氧化物，它不与任何酸发生反应，正确的是( )

A．①②③ B．①② C．①③ D．②

4. 地壳中含量占第一、第二位的元素形成的化合物不具有的性质是( )

A．常温下与水反应生成酸 B．常温下能与苛性钠反应 C．高温下能与CaO、CaCO3反应 D．常温下能与氢氟酸反应

5. 下列物质的转化关系中，A是一种固体单质，E是一种白色沉淀。

据此填写：

(1)B的化学式是________，目前B已被用作______________的主要原料； (2)B和a溶液反应的离子方程式是_______________________________； (3)A和a溶液反应的离子方程式是___________________________； (4)C和过量盐酸反应的离子方程式是_____________________________。

6. 如图，已知：①单质E可作为半导体材料；②化合物F是不能生成盐的氧化物；③化合物I能溶于水呈酸性，它能够跟氧化物A起反应。据此，请填空：

5

(1)化合物F是________； (2)化合物I是________；

(3)反应③的化学方程式是________________； (4)反应④的化学方程式是________。

参考答案

1. 【解析】根据化合价的变化可知氧化剂和还原剂都是C，SiO2既不是氧化剂也不是还原剂。

【答案】C

2. 【解析】a2SiO3与盐酸可以制得H2SiO3，H2SiO3受热分解可得SiO2，SiO2不溶于水，不能与水反应，直接得到H2SiO3，但可与NaOH溶液直接反应得到Na2SiO3。

【答案】C

3. 【解析】下列说法：①硅化学性质很稳定，因此硅在自然界中以游离态形式存在；②二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大的差异；③二氧化硅是一种酸性氧化物，它不与任何酸发生反应，正确的是( )

A．①②③ B．①② C．①③ D．② 【答案】D

4. 【解析】地壳中含量占第一、第二位的元素分别是氧和硅，它们所形成的化合物是SiO2，SiO2常温下不与水反应。

【答案】A

5. 【解析】A是固体单质，则B是A的氧化物，E是一种白色沉淀，根据框图中的关系，E中应含有A元素，C中也含有A元素，在过量盐酸中生成的白色沉淀除AgCl即是H2SiO3。但AgCl加热分解时并不会产生氧化物，E为H2SiO3符合题意。则B为SiO2，A为Si，C为Na2SiO3，D为H2O，F为H2。

【答案】(1)SiO2 制光导纤维 (2)SiO2＋2OH===SiO3＋H2O (3)Si＋2OH＋H2O===SiO3＋2H2↑

(4)SiO3＋2H===H2SiO3↓或SiO3＋2H＋H2O===H4SiO4↓

6

2－

＋

2－

＋

－

2－

－

2－

(1)化合物F是________； (2)化合物I是________；

(3)反应③的化学方程式是________________； (4)反应④的化学方程式是________。

参考答案

1. 【解析】根据化合价的变化可知氧化剂和还原剂都是C，SiO2既不是氧化剂也不是还原剂。

【答案】C

2. 【解析】a2SiO3与盐酸可以制得H2SiO3，H2SiO3受热分解可得SiO2，SiO2不溶于水，不能与水反应，直接得到H2SiO3，但可与NaOH溶液直接反应得到Na2SiO3。

【答案】C

3. 【解析】下列说法：①硅化学性质很稳定，因此硅在自然界中以游离态形式存在；②二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大的差异；③二氧化硅是一种酸性氧化物，它不与任何酸发生反应，正确的是( )

A．①②③ B．①② C．①③ D．② 【答案】D

4. 【解析】地壳中含量占第一、第二位的元素分别是氧和硅，它们所形成的化合物是SiO2，SiO2常温下不与水反应。

【答案】A

5. 【解析】A是固体单质，则B是A的氧化物，E是一种白色沉淀，根据框图中的关系，E中应含有A元素，C中也含有A元素，在过量盐酸中生成的白色沉淀除AgCl即是H2SiO3。但AgCl加热分解时并不会产生氧化物，E为H2SiO3符合题意。则B为SiO2，A为Si，C为Na2SiO3，D为H2O，F为H2。

【答案】(1)SiO2 制光导纤维 (2)SiO2＋2OH===SiO3＋H2O (3)Si＋2OH＋H2O===SiO3＋2H2↑

(4)SiO3＋2H===H2SiO3↓或SiO3＋2H＋H2O===H4SiO4↓

6

2－

＋

2－

＋

－

2－

－

2－

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lkg.html