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

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。

从材料通用性的角度出发，我们可以根据材料的通用性对材料的通用性进行分类，并
使用不同的方法来预测材料的通用性。

情感态度与价值观
通过分析硅和二氧化硅作为计算机和光通信等高科技关键材料
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】
物质是人类生活必不可少的物质基础。

材料的发展史就是人类文明史。

没有感光材料，我们无法留下青春的记忆；没有特殊的荧光材料，就没有彩色电视；没有高纯度单晶硅，
就没有今天的奔腾电脑；没有特殊的新材料，火箭无法升天，卫星无法工作。

科学技术的
发展和社会进步往往受到物质的制约。

新材料的发现可能会给社会带来革命性的变化。

新
材料的不断涌现和旧材料功能的不断扩展使我们的世界日新月异。

1、半导体材料与硅元
素
1．半导体材料
（1）半导体材料是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。

最早使用的半导体
材料是锗，但由于其含量低、精炼过程复杂、价格昂贵，不适合广泛使用。

目前，广泛使
用的半导体材料是硅，它在地壳中的含量排名第二。

所有这些元素都以化学状态存在于自
然界中，储量丰富。

常见的形式是晶体硅和非晶硅。

（2）半导体材料的用途
当材料的电阻率在导体和绝缘体之间（电阻率在10-3~108欧姆厘米之间）时，它是
半导体。

半导体材料可以生产各种功能的半导体器件，代替真空管进行整流、检测和放大，具有缩小电子设备体积、减轻重量、延长使用寿命、抗冲击、效率高、可靠性好的优点。

由半导体材料制成的集成电路还可以集成晶体管、电阻器和电容器等数千个分立电子元件，从而进一步发挥上述优势，广泛应用于通信、电信和电子计算机。

此外，超纯硅对红外光
有很高的透射能力，可用于制作红外聚焦透镜，在夜间跟踪、拍摄和追踪红外辐射目标。

利用半导体的导电性随温度或光照的增加而显著增加的特性，可以将其制成热敏元件（如热敏电阻）和光敏元件，用于自动控制。

半导体材料是制造太阳能电池的主要材料。

半导体材料也可以制成激光二极管，用于激光通信、测距和太空导航。

2．单质硅
（1）存在性：自然界中没有单质硅，所有硅元素都以化合状态存在，如二氧化硅、硅酸盐等
1
化合硅是构成地壳的矿石和岩石的主要成分，地壳中的硅含量排名第二。

(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 加热时，纯硅与一些非金属元素发生反应。

例如，磨细的硅可以在氧气中燃烧：Si+o2sio2
(4)硅的制备
由于自然界中没有单质硅，我们使用的硅是从它的化合物中提取出来的。

在工业上，含有少量杂质的粗硅可以通过在高温下用碳还原二氧化硅来制备。

粗硅提纯后，可获得半导体材料的高纯度硅。

制粗硅：sio2＋2c制高纯硅：si＋2cl2(5)硅的用途：
硅可用于制造集成电路、太阳能电池、硅整流器等。

硅合金可用于制造变压器铁芯、耐酸设备等。

二、半导体材料介绍
自然界中的物质和材料按其导电性可分为三类：导体、半导体和绝缘体。

半导体的电阻率在1mΩcm～1gΩcm范围内（上限根据谢家奎的电子线路取，为其1/10或10倍；由于没有角标记，暂时使用电流描述）。

一般来说，[1]半导体的导电性随着温度的升高而增加，这与金属导体的导电性正好相反。

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
半导体材料的内部基本性质是光、热、磁、电等各种外部因素对半导体产生的物理效应和现象，统称为半导体材料的半导体性质。

大多数固态电子器件的基础材料是半导体。

正是这些半导体材料的各种半导体特性赋予了不同类型的半导体器件不同的功能和特性。

半导体的基本化学特性是原子间存在饱和共价键。

作为一种典型的共价键特征，它是四面体晶格结构，因此典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿（ZnS）结构。

由于地球上的大部分矿产资源都是化合物，所以最早使用的半导体材料是化合物。

例如，方铅矿（PBS）长期以来被用于无线电探测，氧化亚铜（Cu2O）被用作固体整流器，闪锌矿（ZnS）是一种众所周知的固体发光材料，碳化硅（SIC）的整流和探测功能也被较早地使用。

硒最早被发现并利用
高温△si＋2co↑
sicl4sicl4＋2h2
△△si＋4hcl
二
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。

3、二氧化硅和光纤
1.二氧化硅的存在
二氧化硅广泛存在于自然界中。

天然二氧化硅被称为二氧化硅。

石英的主要成分是石英晶体。

透明的石英晶体叫水晶，含有有色杂质的石英晶体叫玛瑙。

此外，二氧化硅也是岩石的重要组成部分。

二.二氧化硅的物理性质
纯二氧化硅晶体无色，熔点高，硬度高。

它不溶于水和其他一般溶剂。

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 在室温下，它能与SiO2+NaOH+H2O3溶液缓慢反应
②二氧化硅在高温下可与碱性氧化物反应：sio2＋cao(2)特性
① SiO2不溶于水，不与水反应。

②二氧化硅在常温下与氢氟酸反应：sio2＋4hf＝sif4↑＋2h2o
③ 二氧化硅中的硅为+4价，氧化性较弱。

例如，在高温下，二氧化硅中的硅可以被碳取代。

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.氢氟酸不能储存在玻璃瓶中，但应储存在塑料瓶中。

NaOH溶液不能储存在带玻璃塞的玻璃瓶中，但应储存在带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co2cao＋co2高温高温casio3
SiO 2caco 3CaO+SiO 2高温卡西欧33
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＋h2ona2sio3＋co2＋h2o＝na2co3＋h2sio3↓sio2＋2naoh＝na2sio3＋h2osio2＋caco3高温高温高温casio3＋co2↑na2sio3＋co2↑si＋2co↑ca(clo)2＋co2＋h2o＝caco3↓＋2hclosio2＋na2co3c＋co2＝2coco2＋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）水晶通常用于制造电子元件、光学仪器、工艺品和眼镜。

（4）玛瑙用于制造精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品。

（5）二氧化硅被用来制造高性能的现代通信材料光纤。

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，一个光缆频道可以同时容纳10亿人，也可以同时传输多套电视节目。

（2）该光纤具有抗干扰性能好、无电辐射、通信质量高、抗窃听等优点。

（3）光缆小而薄，不怕腐蚀，易于铺设。

（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。

此外，光纤还可用于信息处理、能源和图像传输、遥测遥控、照明等许多方面。

4、试题
高温
1.对于化学方程式SiO2+3C==SiC+2CO↑, 正确的描述是（）
a．反应中sio2是氧化剂，c是还原剂
四
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，氧化剂与还原剂的比例为2:12。

以下变化不能一步实现（）
a．na2sio3→h2sio3b．h2sio3→sio2c．sio2→h2sio3d．sio2→na2sio3
3.以下声明：① 硅具有稳定的化学性质，因此硅在自然界中以自由态存在；② 二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差异；③ 二氧化硅是一种酸性氧化物，不会与任何酸发生反应
a．①②③b．①②c．①③d．②
4.由地壳中的第一和第二种元素形成的化合物不具有（）
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.在下列物质的转化关系中，a为固体单质，E为白色沉淀。

据此填写：
（1） B的化学式为____________________;主要原料；（2） B与溶液反应的离子方程为__________；（3） a和溶液之间反应的离子方程是__________；（4） C与过量盐酸反应的离子方程式为。

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：
五
(1)化合物f是________；(2)化合物i是________；
（3）化学反应方程式③ 是___;；（4）化学反应方程式④ 是。

参考答案
1.【分析】根据化合价的变化，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.【分析】H2SiO3可由a2sio3和盐酸制备，H2SiO3可通过热分解得到SiO2。

SiO2
不溶于水，不能与水直接反应生成H2SiO3，但Na2SiO3可与NaOH溶液直接反应生成。

【答案】c
3.【分析】以下陈述：① 硅具有稳定的化学性质，因此硅在自然界中以自由态存在；
② 二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差异；③ 二氧化硅是一种酸性氧化物，不会
与任何酸发生反应
a．①②③b．①②c．①③d．②【答案】d
4.【分析】地壳中的第一和第二种元素分别是氧和硅。

它们形成的化合物是SiO 2，
在室温下不会与水发生反应。

【答案】a
5.【分析】如果a是固体物质，B是a的氧化物，E是白色沉淀。

根据方框图中的关系，e应包含元素a，C也应包含元素a。

过量盐酸中产生的白色沉淀物为H2SiO3，AgCl
除外。

然而，当氯化银被加热和分解时，它不会产生氧化物，E是H2SiO3，这符合问题的
含义。

B是SiO2，a是Si，C是Na2SiO3，D是H2O，F是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为__;；（2）化合物I为__;；
(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：]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：]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.① ② ③ B① ② C① ③ D② [答：]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：]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：]（1）SiO2（2）SiO2+2OH==SiO3+H2O（3）Si+2OH+H2O==SiO3+2h2制成的光纤↑
(4)sio3＋2h===h2sio3↓或sio3＋2h＋h2o===h4sio4↓
六
2－
＋
＋
－ 2－
－ 2－。