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2019-2020年魯科版高中化學必修1第4章材料家族中的元素 第1節(jié) 硅 無機非金屬材料第1課時教學設(shè)計1 【教學目標】 知識與技能 掌握硅、二氧化硅的物理化學性質(zhì)，粗硅的制法。認識硅、二氧化硅作為無機非金屬材料的特性及其用途，了解硅酸鹽等無機非金屬材料的基本組成、性能、用途。 過程與方法 學習從不同的角度出發(fā)對常見材料進行分類的方法，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，并能運用通性簡單預(yù)測其他物質(zhì)的性質(zhì)。 情感態(tài)度與價值觀 通過對作為計算機、光通信等高科技關(guān)鍵材料的硅、二氧化硅等無機非金屬材料的學習，利用學生對高科技的濃烈興趣，激發(fā)學生對化學的興趣，通過對我國從古到今，從燒制陶瓷到現(xiàn)代科技成就的介紹，培養(yǎng)學生的民族自豪感。 【教學過程】 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)展和社會的進步往往受到材料的制約。一種新材料的發(fā)現(xiàn)可能會給社會帶來革命性的變化。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、半導體材料與單質(zhì)硅 1．半導體材料 （1）半導體材料特指導電能力介于導體和絕緣體之間的一類材料。最早使用的半導體材料是鍺，但因其含量低，提煉工藝復(fù)雜，價格昂貴，而不適合廣泛使用。目前廣泛使用的半導體材料是硅元素，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，儲量豐富。常見的有晶體硅和無定形硅等形式存在。 （2）半導體材料的用途 物質(zhì)的電阻率介于導體和絕緣體之間(電阻率在10－3~108歐姆厘米之間)時，為半導體。半導體材料可以制造出具有各種功能的半導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。用半導體材料制成的集成電路還可以將成千上萬個分立的晶體管、電阻、電容等電子元件融為一體，使上述優(yōu)點得到進一步發(fā)揮，廣泛應(yīng)用于通訊、電訊、電子計算機中。另外，超純硅對紅外光有很高的透過能力，可以用以制作紅外聚焦透鏡，對紅外輻射目標進行夜間跟蹤、照像、追擊。利用半導體的導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，可以做成自動控制用的熱敏元件(如熱敏電阻等)和光敏元件。半導體材料是制作太陽能電池的主要材料．半導體材料還可制成激光二極管，用于激光通訊、測距和空間導航等方面。 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)：單質(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，熔點很高(1410℃)，是良好的半導體材料。 (3)化學性質(zhì)： ①在常溫下，硅的化學性質(zhì)不活潑，不與O2、Cl2、H2SO4、HNO3等發(fā)生反應(yīng)，但能與F2、HF和強堿反應(yīng)。例如：Si + 2NaOH + H2O ＝Na2SiO3 + 2H2↑；Si + 2F2 ＝SiF4；Si + 4HF ＝ SiF4↑+ 2H2↑。 ②在加熱時純硅與某些非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。如研細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、半導體材料介紹 自然界的物質(zhì)、材料按導電能力大小可分為導體、半導體和絕緣體三大類。半導體的電阻率在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；因角標不可用，暫用當前描述）。在一般情況下，[1] 半導體電導率隨溫度的升高而升高，這與金屬導體恰好相反。 凡具有上述兩種特征的材料都可歸入半導體材料的范圍。反映半導體半導體材料 半導體材料內(nèi)在基本性質(zhì)的卻是各種外界因素如光、熱、磁、電等作用于半導體而引起的物理效應(yīng)和現(xiàn)象，這些可統(tǒng)稱為半導體材料的半導體性質(zhì)。構(gòu)成固態(tài)電子器件的基體材料絕大多數(shù)是半導體，正是這些半導體材料的各種半導體性質(zhì)賦予各種不同類型半導體器件以不同的功能和特性。半導體的基本化學特征在于原子間存在飽和的共價鍵。作為共價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體，曾是固體整流器和光電池的重要材料。元素半導體鍺（Ge）放大作用的發(fā)現(xiàn)開辟了半導體歷史新的一頁，從此電子設(shè)備開始實現(xiàn)晶體管化。中國的半導體研究和生產(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)模集成電路的時代。以砷化鎵(GaAs)為代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的發(fā)現(xiàn)促進了微波器件和光電器件的迅速發(fā)展。 三、二氧化硅與光導纖維 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，具有弱的氧化性，如在高溫時，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——光導纖維。 7.光導纖維 光導纖維，簡稱“光纖”，就是一種能利用光的全反射作用來傳導光線的透明度極高的玻璃細絲。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。光導纖維是用石英玻璃制造的，制作時需要較高的技術(shù)，它傳導光的能力非常強。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，每傳播1000米，光能的損耗不到0.2分貝．若利用光纜通訊，能同時傳輸大量信息。光纖通信的優(yōu)點有： (1)信息容量大，一條光纜通路可同時容納10億人通話，也可同時傳送多套電視節(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，不怕腐蝕，鋪設(shè)方便。 (4)光纖通信損耗低，適合遠距離信息傳輸。 另外，光導纖維在醫(yī)學上也有很重要的應(yīng)用。目前在醫(yī)學領(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去的，它不產(chǎn)生熱輻射，能減輕病人的痛苦。在光導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。光導纖維在醫(yī)學上的另一個重要應(yīng)用是通過微細的光纖將高強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，而且切割部位準確，手術(shù)效果好。 除此以外，光導纖維還可用于信息處理、傳能傳像、遙測遙控、照明等許多方面。 四、檢測題 1. 對于化學方程式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?zhí)羁眨? (1)化合物F是________； (2)化合物I是________； (3)反應(yīng)③的化學方程式是________________； (4)反應(yīng)④的化學方程式是________。 參考答案 1. 【解析】根據(jù)化合價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加熱分解時并不會產(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。 由題中所敘述的條件，單質(zhì)E為半導體材料，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