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1、第4章 元素与材料世界学习导言 章节知识概说 材料是人类生活和生产活动的重要物质基础，本章教材引领学生走进元素化合物的应用世界。从自然界中的元素走进材料世界中的元素，将学生的视野打开，体现多角度、多层面和大视野。材料的性能取决于材料的化学组成和结构，因此教材从元素出发，通过了解元素及其重要化合物的性质来分析材料的性能。 本章教材一方面引导学生回顾学习非金属及其化合物的化学性质的方法，并以此方法学习硅及其化合物的重要性质；另一方面。进一步丰富学生对金属元素及其化合物的认识，给他们一个更为广阔的认识物质世界的空间，也为后面学习元素周期律及元素周期表打下基础。 课标理念感悟知识与技能：根据生产、生活
2、中的应用实例或通过实验研究，了解铝、硅及其重要化合物的性质，能够应用这些性质解决一些生产、生活和化学学科中的简单问题。能列举金属材料、无机非金属材料和复合材料在生产、生活中及其他领域的应用。过程与方法：通过本章的学习，让学生进一步体验“比较”和“分析”的科学方法。情感态度与价值观：体会组成材料的物质性质与材料性能的密切关系，认识新材料的开发对社会、生活产生的重要影响，了解材料开发和应用与化学科学发展之间的关系。第1节 硅 无机非金属材料1946年2月15日，世界上第一台通用电子数字计算机“埃尼阿克”（ENIAC）在美国研制成功。它当时由1.8万个电子管组成，是一台又大又笨重的机器，体重达30多
3、吨，占地有两三间教室般大。它当时的运算速度为每秒5000次加法运算。虽然这在当时是相当了不起的成就，但其计算速度还不如今天的一台微型计算器的运行速度。是什么使计算机的体积减小的同时，加快了计算速度呢？是硅芯片。那么，硅芯片是从哪里来的呢？硅又有什么性质呢？ 研习教材重难点研习点1 半导体材料与单质硅1半导体材料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单质硅（1）存
4、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：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。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
5、SiO2 （3）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： SiO22C Si2CO 制高纯硅： Si2Cl2 SiCl4 SiCl42H2 Si4HCl（4）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。【知识链接】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103108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，
6、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。典例1：下列有关硅的叙述中，正确的是A硅只有在高
7、温下才能跟氢气起化合反应。B硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量在所有的元素中居第一位。C硅的化学性质不活泼，在常温下不与任何物质反应。D硅在电子工业中，是最重要的半导体材料。研析：A正确 因为硅的化学性质稳定，常温下除了少数物质外，它不易与其他物质如氢气、氧气、氯气等反应。B不正确 氧元素在地壳中的含量居第一位。C不正确 硅的化学性质不活泼，但可与F2、HF和强碱等反应。D 正确 硅是常温下化学性质稳定的半导体材料，广泛应用于计算机技术领域。答案：A、D典例2：有科学家提出硅是“21世纪的能源”、“未来的石油”的观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，下列关于其有利因素的
8、说法中，你认为不妥的是A便于运输、储存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料B自然界的含硅化合物易开采C硅燃烧放出的热量大，燃烧产物对环境污染程度低且容易有效控制D自然界中存在大量单质硅研析：有些燃料，如氢气具有发热量大，无污染等优点，但从运输、储存角度就不如硅了，硅是固体、常温下性质稳定，是非常安全的；另外，硅在自然界存在广泛，硅化合物易开采，其燃烧产物为SiO2，对环境污染程度低。但需注意的是，自然界没有游离态的硅，因此，D是错误的。答案：D研习点2 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
9、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二氧化硅在高温下可与碱性氧化物反应：SiO2 CaO CaSiO3 （2）特性SiO2不溶于水，也不与水反应。二氧化硅在常温下与氢氟酸反应： Si O24HF SiF42H2O 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
10、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。2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。4、SiO2与CO2的比较CO2SiO2与碱性氧化物反应CaOCO2CaCO3CaOSiO2CaSiO3与碱液的反应
11、2NaOHCO2Na2CO3H2OSiO22NaOHNa2SiO3H2O与盐反应Na2SiO3CO2H2ONa2CO3H2SiO3Ca(ClO)2CO2H2OCaCO32HClOSiO2CaCO3CaSiO3 CO2SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2与碳反应CCO22CO2CSiO2Si2CO与H2O作用CO2H2OH2CO3不与水化合与酸反应不反应只与HF反应SiO24HFSiF4H2O5、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。
12、（5）SiO2 被用于制造高性能的现代通讯材料光导纤维。6、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。
13、（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。【知识链接】多姿多
14、彩的光纤光纤内窥镜：束状光导纤维能对图像进行传递、分解、合成和修正等医用内窥镜能直接插入人体某个部位进行检查，而不会引起病人痛苦与不舒服感。在工业生产中，利用内窥镜检查一些由于各种原因而不能打开的系统的内部结构，使生产能照常进行。军事用光纤：光纤技术在军事方面的应用的发展速度之快、范围之广，令人振奋它已从最初在军舰和飞机上应用，延伸到军事的各个领域，包括长距离光纤传输系统、战术光纤通信网络系统、雷达防御系统、空战指挥及控制系统、导弹和鱼雷制导系统等等。光纤装潢艺术：光纤装潢是用不同的光纤根据设计需要组成不同的形状，如光纤广告显示屏、光纤盆景、光纤舞台装置及光纤工艺品等。它们具有亮度适宜、色彩柔
15、和、图案细腻、造型奇特，集光、电、声于一体等特点。光纤采光：用光纤传递光能的方式将天空中的散射光或太阳光引入室内，是一种有前途的采光照明方式，再辅以太阳能电池还可供建筑在夜间照明。典例3：下列说法不正确的是A因为SiO2 不溶于水，故H2SiO3不是SiO2 对应的酸或者说SiO2 不是H2SiO3 对应的酸酐BCO2 通入水玻璃可以得到硅酸沉淀CSiO2 是一种空间立体网状结构的晶体，熔点高、硬度大D氢氟酸能够雕刻玻璃研析：SiO2 中 Si 呈4价， H2SiO3中Si为4价，且 H2SiO3（加热） SiO2 H2O，故A项错误，B项发生的反应：Na2SiO3 CO2 (少量) H2O H2SiO3Na2CO3， D项发生的反应为：4HF SiO2 SiF4 2H2O。答案：A典例4：如下图中A、B、C、D分别代表有关反应中的一种化合物，其中物质A是一种高熔点化合物，不溶于硫酸、硝酸，却溶于氢氟酸。请填写以下空白。（1）A、B、C、D的
