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2019-2020年魯科版高中化學(xué)必修1第4章材料家族中的元素 第1節(jié) 硅 無機(jī)非金屬材料第1課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)1 【教學(xué)目標(biāo)】 知識(shí)與技能 掌握硅、二氧化硅的物理化學(xué)性質(zhì)，粗硅的制法。認(rèn)識(shí)硅、二氧化硅作為無機(jī)非金屬材料的特性及其用途，了解硅酸鹽等無機(jī)非金屬材料的基本組成、性能、用途。 過程與方法 學(xué)習(xí)從不同的角度出發(fā)對(duì)常見材料進(jìn)行分類的方法，能根據(jù)同一類別不同物質(zhì)的性質(zhì)歸納出該類物質(zhì)的通性，并能運(yùn)用通性簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)其他物質(zhì)的性質(zhì)。 情感態(tài)度與價(jià)值觀 通過對(duì)作為計(jì)算機(jī)、光通信等高科技關(guān)鍵材料的硅、二氧化硅等無機(jī)非金屬材料的學(xué)習(xí)，利用學(xué)生對(duì)高科技的濃烈興趣，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)的興趣，通過對(duì)我國從古到今，從燒制陶瓷到現(xiàn)代科技成就的介紹，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感。 【教學(xué)過程】 材料是人類生活必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料的發(fā)展史就是一部人類文明史。沒有感光材料，我們就無法留下青春的回憶；沒有特殊的熒光材料，就沒有彩色電視；沒有高純的單晶硅，就沒有今天的奔騰電腦；沒有特殊的新型材料，火箭就無法上天，衛(wèi)星就無法工作?？萍嫉陌l(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步往往受到材料的制約。一種新材料的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)給社會(huì)帶來革命性的變化。新材料的不斷涌現(xiàn)，舊材料功能的不斷拓展，才使我們的世界日新月異，奔騰向前。 一、半導(dǎo)體材料與單質(zhì)硅 1．半導(dǎo)體材料 （1）半導(dǎo)體材料特指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類材料。最早使用的半導(dǎo)體材料是鍺，但因其含量低，提煉工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而不適合廣泛使用。目前廣泛使用的半導(dǎo)體材料是硅元素，在地殼中含量居第二位，該元素全部以化合態(tài)存在于自然界中，儲(chǔ)量豐富。常見的有晶體硅和無定形硅等形式存在。 （2）半導(dǎo)體材料的用途 物質(zhì)的電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間(電阻率在10－3~108歐姆厘米之間)時(shí)，為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料可以制造出具有各種功能的半導(dǎo)體器件來取代真空管用來整流、檢波、放大，并有縮小電子設(shè)備體積、減輕重量、延長壽命、耐沖擊、效率高和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。用半導(dǎo)體材料制成的集成電路還可以將成千上萬個(gè)分立的晶體管、電阻、電容等電子元件融為一體，使上述優(yōu)點(diǎn)得到進(jìn)一步發(fā)揮，廣泛應(yīng)用于通訊、電訊、電子計(jì)算機(jī)中。另外，超純硅對(duì)紅外光有很高的透過能力，可以用以制作紅外聚焦透鏡，對(duì)紅外輻射目標(biāo)進(jìn)行夜間跟蹤、照像、追擊。利用半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度的升高或光線的照射而有顯著的增大的特性，可以做成自動(dòng)控制用的熱敏元件(如熱敏電阻等)和光敏元件。半導(dǎo)體材料是制作太陽能電池的主要材料．半導(dǎo)體材料還可制成激光二極管，用于激光通訊、測(cè)距和空間導(dǎo)航等方面。 2．單質(zhì)硅 (1)存在：自然界中無單質(zhì)硅，硅元素全部以化合態(tài)存在，如二氧化硅、硅酸鹽等?；蠎B(tài)的硅是構(gòu)成地殼的礦石和巖石的主要成分，硅在地殼中的含量居第二位。 (2)物理性質(zhì)：?jiǎn)钨|(zhì)硅有晶體硅和無定形硅兩種。晶體硅呈灰黑色，有金屬光澤，硬而脆，熔點(diǎn)很高(1410℃)，是良好的半導(dǎo)體材料。 (3)化學(xué)性質(zhì)： ①在常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，不與O2、Cl2、H2SO4、HNO3等發(fā)生反應(yīng)，但能與F2、HF和強(qiáng)堿反應(yīng)。例如：Si + 2NaOH + H2O ＝Na2SiO3 + 2H2↑；Si + 2F2 ＝SiF4；Si + 4HF ＝ SiF4↑+ 2H2↑。 ②在加熱時(shí)純硅與某些非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。如研細(xì)的硅能在氧氣中燃燒：Si + O2 SiO2 (4)硅的制備 由于自然界中沒有單質(zhì)硅的存在，因此我們使用的硅，都是從它的化合物中提取的。在工業(yè)上，用碳在高溫下還原二氧化硅的方法可制得含有少量雜質(zhì)的粗硅，將粗硅提純后，可以得到半導(dǎo)體材料的高純硅。 制粗硅： SiO2＋2C Si＋2CO ↑ 制高純硅： Si＋2Cl2 SiCl4 SiCl4＋2H2 Si＋4HCl (5)硅的用途： 硅可用來制造集成電路，太陽能電池，硅整流器等。硅合金可用來制造變壓器鐵芯，耐酸設(shè)備等。 二、半導(dǎo)體材料介紹 自然界的物質(zhì)、材料按導(dǎo)電能力大小可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三大類。半導(dǎo)體的電阻率在1mΩcm～1GΩcm范圍（上限按謝嘉奎《電子線路》取值，還有取其1/10或10倍的；因角標(biāo)不可用，暫用當(dāng)前描述）。在一般情況下，[1] 半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度的升高而升高，這與金屬導(dǎo)體恰好相反。 凡具有上述兩種特征的材料都可歸入半導(dǎo)體材料的范圍。反映半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體材料內(nèi)在基本性質(zhì)的卻是各種外界因素如光、熱、磁、電等作用于半導(dǎo)體而引起的物理效應(yīng)和現(xiàn)象，這些可統(tǒng)稱為半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體性質(zhì)。構(gòu)成固態(tài)電子器件的基體材料絕大多數(shù)是半導(dǎo)體，正是這些半導(dǎo)體材料的各種半導(dǎo)體性質(zhì)賦予各種不同類型半導(dǎo)體器件以不同的功能和特性。半導(dǎo)體的基本化學(xué)特征在于原子間存在飽和的共價(jià)鍵。作為共價(jià)鍵特征的典型是在晶格結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為四面體結(jié)構(gòu),所以典型的半導(dǎo)體材料具有金剛石或閃鋅礦(ZnS)的結(jié)構(gòu)。 由于地球的礦藏多半是化合物，所以最早得到利用的半導(dǎo)體材料都是化合物,例如方鉛礦(PbS)很早就用于無線電檢波，氧化亞銅(Cu2O)用作固體整流器，閃鋅礦(ZnS)是熟知的固體發(fā)光材料，碳化硅(SiC)的整流檢波作用也較早被利用。硒(Se)是最早發(fā)現(xiàn)并被利用的元素半導(dǎo)體，曾是固體整流器和光電池的重要材料。元素半導(dǎo)體鍺（Ge）放大作用的發(fā)現(xiàn)開辟了半導(dǎo)體歷史新的一頁，從此電子設(shè)備開始實(shí)現(xiàn)晶體管化。中國的半導(dǎo)體研究和生產(chǎn)是從1957年首次制備出高純度(99.999999%～99.9999999%) 的鍺開始的。采用元素半導(dǎo)體硅（Si）以后，不僅使晶體管的類型和品種增加、性能提高，而且迎來了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的時(shí)代。以砷化鎵(GaAs)為代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了微波器件和光電器件的迅速發(fā)展。 三、二氧化硅與光導(dǎo)纖維 1.二氧化硅的存在 二氧化硅廣泛存在與自然界中，天然二氧化硅叫硅石。石英的主要成分為二氧化硅晶體，透明的石英晶體叫做水晶，含有有色雜質(zhì)的石英晶體叫做瑪瑙。另外二氧化硅也是構(gòu)成巖石的重要成分。 2.二氧化硅的物理性質(zhì) 純凈的二氧化硅晶體呈無色，熔點(diǎn)高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般的溶劑。 3.二氧化硅的化學(xué)性質(zhì) (1)二氧化硅是一種酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性 ①二氧化硅在常溫時(shí)可以與堿溶液緩慢反應(yīng)生成鹽和水：SiO2+ 2NaOH ＝ Na2SiO3 + H2 O ②二氧化硅在高溫下可與堿性氧化物反應(yīng)：SiO2 ＋ CaO CaSiO3 (2)特性 ①SiO2不溶于水，也不與水反應(yīng)。 ②二氧化硅在常溫下與氫氟酸反應(yīng)： Si O2＋4HF ＝ SiF4↑＋2H2O ③二氧化硅中的硅為＋4價(jià)，具有弱的氧化性，如在高溫時(shí)，二氧化硅中的硅可以被碳置換出來。 思考：1．如何制取硅酸？ 2．保存氫氟酸、NaOH溶液時(shí)應(yīng)該注意什么問題？ 提示：1．不能通過SiO2與H2O反應(yīng)的方法來制取其對(duì)應(yīng)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還弱。] 4．氫氟酸不能保存在玻璃瓶中，應(yīng)保存在塑料瓶中。NaOH 溶液不能保存在玻璃塞的玻璃瓶中，應(yīng)保存在橡膠塞的玻璃瓶中或塑料瓶中。 5.SiO2與CO2的比較 CO2 SiO2 與堿性氧化物反應(yīng) CaO＋CO2CaCO3 CaO＋SiO2CaSiO3 與堿液的反應(yīng) 2NaOH＋CO2＝Na2CO3＋H2O SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O 與鹽反應(yīng) Na2SiO3＋CO2＋H2O＝Na2CO3＋H2SiO3↓ Ca(ClO)2＋CO2＋H2O＝CaCO3↓＋2HClO SiO2＋CaCO3CaSiO3＋ CO2↑ SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑ 與碳反應(yīng) C＋CO2＝2CO 2C＋SiO2Si＋2CO↑ 與H2O作用 CO2＋H2O＝H2CO3 不與水化合 與酸反應(yīng) 不反應(yīng) 只與HF反應(yīng) SiO2＋4HF＝SiF4↑＋H2O 6.二氧化硅的用途 (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)水晶常用來制造電子部件、光學(xué)儀器、工藝品和眼鏡片等。 (4)瑪瑙用于制造精密儀器軸承、耐磨器皿和裝飾品。 (5)SiO2 被用于制造高性能的現(xiàn)代通訊材料——光導(dǎo)纖維。 7.光導(dǎo)纖維 光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱“光纖”，就是一種能利用光的全反射作用來傳導(dǎo)光線的透明度極高的玻璃細(xì)絲。如果將許多根經(jīng)過技術(shù)處理的光纖繞在一起，就得到我們常說的光纜。光導(dǎo)纖維是用石英玻璃制造的，制作時(shí)需要較高的技術(shù)，它傳導(dǎo)光的能力非常強(qiáng)。如1000米長的單模光纖，重量只有27克，傳送波長為1.55微米的激光時(shí)，每傳播1000米，光能的損耗不到0.2分貝．若利用光纜通訊，能同時(shí)傳輸大量信息。光纖通信的優(yōu)點(diǎn)有： (1)信息容量大，一條光纜通路可同時(shí)容納10億人通話，也可同時(shí)傳送多套電視節(jié)目。 (2)光纖的抗干擾性能好，不發(fā)生電輻射，通訊質(zhì)量高，能防竊聽。 (3)光纜質(zhì)量小而且細(xì)，不怕腐蝕，鋪設(shè)方便。 (4)光纖通信損耗低，適合遠(yuǎn)距離信息傳輸。 另外，光導(dǎo)纖維在醫(yī)學(xué)上也有很重要的應(yīng)用。目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，普遍使用著一種連接著許多光纖的胃鏡，光纖胃鏡的光源是在體外由光纖傳進(jìn)去的，它不產(chǎn)生熱輻射，能減輕病人的痛苦。在光導(dǎo)纖維的一頭裝著精致小巧的微型鏡頭，可將胃內(nèi)的情況傳到體外拍攝下來或顯示在屏幕上。光導(dǎo)纖維在醫(yī)學(xué)上的另一個(gè)重要應(yīng)用是通過微細(xì)的光纖將高強(qiáng)度的激光輸入人體的病變部位，用激光來切除病變部位。這種“手術(shù)”不用切開皮膚和切割肌肉組織，而且切割部位準(zhǔn)確，手術(shù)效果好。 除此以外，光導(dǎo)纖維還可用于信息處理、傳能傳像、遙測(cè)遙控、照明等許多方面。 四、檢測(cè)題 1. 對(duì)于化學(xué)方程式SiO2＋3CSiC＋2CO↑，有關(guān)敘述正確的是(　　) A．反應(yīng)中SiO2是氧化劑，C是還原劑 B．硅元素被還原了，碳元素被氧化了 C．在反應(yīng)中C既是氧化劑又是還原劑 D．在反應(yīng)中氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為2∶1 2. 下列變化中不能一步實(shí)現(xiàn)的是(　　) A．Na2SiO3→H2SiO3 B．H2SiO3→SiO2 C．SiO2→H2SiO3 D．SiO2→Na2SiO3 3. 下列說法：①硅化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，因此硅在自然界中以游離態(tài)形式存在；②二氧化硅和二氧化碳在物理性質(zhì)上有很大的差異；③二氧化硅是一種酸性氧化物，它不與任何酸發(fā)生反應(yīng)，正確的是(　　) A．①②③ B．①② C．①③ D．② 4. 地殼中含量占第一、第二位的元素形成的化合物不具有的性質(zhì)是(　　) A．常溫下與水反應(yīng)生成酸 B．常溫下能與苛性鈉反應(yīng) C．高溫下能與CaO、CaCO3反應(yīng) D．常溫下能與氫氟酸反應(yīng) 5. 下列物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系中，A是一種固體單質(zhì)，E是一種白色沉淀。 據(jù)此填寫： (1)B的化學(xué)式是________，目前B已被用作______________的主要原料； (2)B和a溶液反應(yīng)的離子方程式是_______________________________； (3)A和a溶液反應(yīng)的離子方程式是___________________________； (4)C和過量鹽酸反應(yīng)的離子方程式是_____________________________。 6. 如圖，已知：①單質(zhì)E可作為半導(dǎo)體材料；②化合物F是不能生成鹽的氧化物；③化合物I能溶于水呈酸性，它能夠跟氧化物A起反應(yīng)。據(jù)此，請(qǐng)?zhí)羁眨? (1)化合物F是________； (2)化合物I是________； (3)反應(yīng)③的化學(xué)方程式是________________； (4)反應(yīng)④的化學(xué)方程式是________。 參考答案 1. 【解析】根據(jù)化合價(jià)的變化可知氧化劑和還原劑都是C，SiO2既不是氧化劑也不是還原劑。 【答案】C 2. 【解析】a2SiO3與鹽酸可以制得H2SiO3，H2SiO3受熱分解可得SiO2，SiO2不溶于水，不能與水反應(yīng)，直接得到H2SiO3，但可與NaOH溶液直接反應(yīng)得到Na2SiO3。 【答案】C 3. 【解析】下列說法：①硅化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，因此硅在自然界中以游離態(tài)形式存在；②二氧化硅和二氧化碳在物理性質(zhì)上有很大的差異；③二氧化硅是一種酸性氧化物，它不與任何酸發(fā)生反應(yīng)，正確的是(　　) A．①②③ B．①② C．①③ D．② 【答案】D 4. 【解析】地殼中含量占第一、第二位的元素分別是氧和硅，它們所形成的化合物是SiO2，SiO2常溫下不與水反應(yīng)。 【答案】A 5. 【解析】A是固體單質(zhì)，則B是A的氧化物，E是一種白色沉淀，根據(jù)框圖中的關(guān)系，E中應(yīng)含有A元素，C中也含有A元素，在過量鹽酸中生成的白色沉淀除AgCl即是H2SiO3。但AgCl加熱分解時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生氧化物，E為H2SiO3符合題意。則B為SiO2，A為Si，C為Na2SiO3，D為H2O，F(xiàn)為H2。 【答案】(1)SiO2　制光導(dǎo)纖維 (2)SiO2＋2OH－===SiO＋H2O (3)Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑ (4)SiO＋2H＋===H2SiO3↓或SiO＋2H＋＋H2O===H4SiO4↓ 6. 【解析】本題主要考查元素化合物的性質(zhì)，是一道常規(guī)的框圖推斷題。要求學(xué)生能在全面系統(tǒng)地掌握元素及化合物性質(zhì)的基礎(chǔ)上，善于抓住某些元素的特殊性質(zhì)為解題的突破口和切入點(diǎn)。 由題中所敘述的條件，單質(zhì)E為半導(dǎo)體材料，化合物F是不能生成鹽的氧化物，結(jié)合框圖中的反應(yīng)①可推知E和F分別為Si和CO。反應(yīng)①為：SiO2＋2CSi＋2CO↑。氧化物A是SiO2，它除了跟氫氟酸反應(yīng)以外不跟任何酸反應(yīng)，由此可判斷化合物I為HF。由“氧化物C＋單質(zhì)D―→HF＋單質(zhì)H”可推知該反應(yīng)為：2F2＋2H2O＝＝＝4HF＋O2，至此即可突破全題。 【答案】(1)CO　(2)HF　(3)2H2＋O22H2O (4)2F2＋2H2O＝＝＝4HF＋O2