硅无机非金属材料

1、第4 章材料家族中的元素第 1 节 硅 无机非金属材料第 1 课时教学设计 1【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根本组成、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

2、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根底。 材料的开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 技的开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

3、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10一3108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

4、 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 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 C )

5、，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Q、Cl2、HSQ、HNO等发生反响，但能与 F2、HF和强碱反响。例如：Si + 2NaQH + H 2O = Na>SiQ3 + 2出匸；Si + 2F 2 = SiF4； Si + 4HF=SiF 4? + 2H2f。 在加热时纯硅与某些非金属单质发生反响。如研细的硅能在氧气中燃烧：Si + Q 2 SiO2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，用碳在高温下复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

6、硅：SiQ 2+ 2C高温 Si + 2CQ ?制高纯硅： Si + 2Cl2 SiCl 4 SiCl4 + Si + 4HCl(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ImQcm- 1GQ m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

7、导体材料内在根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。半导体的根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Cu20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

8、作用也较早被利用。硒Se是最早发现并被利用的元素半导体，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为代表的川一V族化合物的发现促进了微波器件和光电器件 的迅速开展。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

9、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洁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响生成盐和水：SiO2+ 2NaOH = NazSiOs + H 2O 二氧化硅在高温下可与碱性氧化物反响：SiO2 + CaO高温 CaSiOs特性 SiO2不溶于水，也不与水反响。 二氧化硅在常温下与氢氟酸反响：Si O 2+ 4HF = SiF M+ 2HO 二氧化硅中的硅为+4价，具有弱

10、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、NaOl溶液时应该注意什么问题？提示：1.不能通过SiO2与H2C反响的方法来制取其对应的水化物一一硅酸H2SQ3 制取H2SiOs的方法如下：Na 2SQ3 + 2HCl = 2NaCl + H 2SQ3 J 或 Na 2SQ3 + CO2 + H2O = NCO +H2SiQ J 硅酸(H2SQ3)不溶于水，其酸性比 HCG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.SiO 2与CO的比拟COSiO2与碱性

11、氧化物反应CaO+ CO 高温 CaCOCaQ+ SiO2 高温 CaSiQ与碱液的反响2NaOHF CO= W2CO+ H2OSiO2+ 2NaOH= NaSiO3+ HO与盐反响N?bSiO3+ CO+ H2O= NqCQ+ HSQ3 JCa(ClO) 2 + CO+ H2O= CaCOj + 2HC1OSiO2 + CaCO 高温 CaSiQ + CO2TSiO2 + NaCO 高温 NaaSiO3+ COf与碳反响C+ CO= 2CO2C+ SiO2 高温 Si + 2COf与HO乍用CO+ hO= H2CO不与水化合与酸反响不反响只与HF反响SiO2+ 4HF= SiF4f + HO

12、6.二氧化硅的丿用途(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。(5) SiO 2被用于制造高性能的现代通讯材料一一光导纤维。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 贝假设利用光缆通讯，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