2022年高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí) 硅 無(wú)機(jī)非金屬材料教案 魯科版必修1

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1、2022年高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí) 硅 無(wú)機(jī)非金屬材料教案 魯科版必修1 1 半導(dǎo)體材料與單質(zhì)硅 1．半導(dǎo)體材料 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(lèi)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(jiàn)的有晶體硅和無(wú)定形硅等形式存在。 2．單質(zhì)硅 （1）存在：自然界中無(wú)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。化合態(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(wú)定形硅兩種。

2、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 （3）硅的制備 由于自然界中沒(méi)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

3、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 （4）硅的用途： 硅可用來(lái)制造集成電路，太陽(yáng)能電池，硅整流器等。硅合金可用來(lái)制造變壓器鐵芯，耐酸設(shè)備等。 【知識(shí)·鏈接】 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(lái)取代真空管用來(lái)整流、檢波、放大，并有縮小電子設(shè)備體積、減輕重量、延長(zhǎng)壽命、耐沖擊、效率高和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。用半

4、導(dǎo)體材料制成的集成電路還可以將成千上萬(wàn)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(guò)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(xiàn)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(yáng)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 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

5、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(wú)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↑

6、＋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(lái)。 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(wèn)題？ 提示：1．不能通過(guò)SiO2與H2O反應(yīng)的方法來(lái)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。] 2．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)

7、保存在橡膠塞的玻璃瓶中或塑料瓶中。 4、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

8、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 5、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(lái)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。 6、光導(dǎo)纖維 光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱(chēng)“光纖”，就是一種能利用光的全反射作用來(lái)傳導(dǎo)光線(xiàn)的透明度極高的玻璃細(xì)絲。如果將許多根經(jīng)過(guò)技術(shù)處理的光纖繞在一起，就得到我們常說(shuō)的光纜。光導(dǎo)纖維是用石英玻璃制造的，

9、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(zhǎng)的單模光纖，重量只有27克，傳送波長(zhǎng)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(huà)，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(tīng)。 （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)

10、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(lái)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(guò)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(lái)切除病變部位。這種“手術(shù)”不用切開(kāi)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。 【知識(shí)·鏈接】 多姿多彩的光纖 光纖內(nèi)窺鏡：束狀光導(dǎo)纖維能對(duì)圖像進(jìn)行傳遞、分解、合成和修正等．醫(yī)用內(nèi)窺鏡能直接插入人體某個(gè)部位進(jìn)行檢查，而不會(huì)引起病人痛苦與不舒服感。在工業(yè)生產(chǎn)中，利用內(nèi)窺鏡檢查一些由于各種原因而不能打開(kāi)的系統(tǒng)的

11、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使生產(chǎn)能照常進(jìn)行。 軍事用光纖：光纖技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用的發(fā)展速度之快、范圍之廣，令人振奮．它已從最初在軍艦和飛機(jī)上應(yīng)用，延伸到軍事的各個(gè)領(lǐng)域，包括長(zhǎng)距離光纖傳輸系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)光纖通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、雷達(dá)防御系統(tǒng)、空戰(zhàn)指揮及控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈和魚(yú)雷制導(dǎo)系統(tǒng)等等。 光纖裝潢藝術(shù)：光纖裝潢是用不同的光纖根據(jù)設(shè)計(jì)需要組成不同的形狀，如光纖廣告顯示屏、光纖盆景、光纖舞臺(tái)裝置及光纖工藝品等。它們具有亮度適宜、色彩柔和、圖案細(xì)膩、造型奇特，集光、電、聲于一體等特點(diǎn)。 光纖采光：用光纖傳遞光能的方式將天空中的散射光或太陽(yáng)光引入室內(nèi)，是一種有前途的采光照明方式，再輔以太陽(yáng)能電池還可供建筑在夜間照明。 3

12、硅酸鹽與無(wú)機(jī)非金屬材料 1．硅酸鹽 （1）硅酸鹽在自然界中的存在 硅酸鹽是構(gòu)成地殼中巖石的主要成分，自然界中存在的各種天然硅酸鹽礦石，約占地殼的5％，粘土的主要成分也是硅酸鹽。粘土的種類(lèi)很多，常見(jiàn)的有高嶺土和一般粘土，前者含雜質(zhì)較少，后者含雜質(zhì)較多。 （2）硅酸鹽組成的表示方法 硅酸鹽的種類(lèi)很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)論是天然的還是人工制成的硅酸鹽，其組成的表示方法有兩種。 ① 化學(xué)式法： 一般用于組成較簡(jiǎn)單的硅酸鹽。如： 硅酸鈉 Na2SiO3； 硅酸鈣Ca2SiO3 ② 氧化物法：常用的表示方法。 如： 鎂橄欖石（Mg2SiO4） 2MgO·SiO2 高嶺石〔Al2(Si

13、2O5)(OH)4〕 Al2O3·2SiO2·2H2O 正長(zhǎng)石(2KAlSi3O8 ) K2O·Al2O3·6SiO2 說(shuō)明：用氧化物的形式表示硅酸鹽的組成時(shí)，各氧化物的排列順序?yàn)椋? 較活潑金屬氧化物→ 較不活潑金屬氧化物→ 二氧化硅→ 水 （3）硅酸鈉 硅酸鈉的水溶液俗稱(chēng)水玻璃，它是一種礦物膠，具有粘合性。 【聯(lián)想·發(fā)散】 硅及其化合物的特殊性：（1）硅的還原性比碳強(qiáng)，而碳在高溫下能從二氧化硅中還原出硅。（2）非金屬單質(zhì)與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)一般不生成氫氣，而硅與氫氧化鈉等強(qiáng)堿溶液反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。（3）非金屬單質(zhì)一般不與非氧化性酸反應(yīng)，而硅不但與氫氟酸反應(yīng)，而且有氫氣生成。（4）酸

14、性氧化物一般不與酸發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，而二氧化硅卻能與氫氟酸反應(yīng)，生成四氟化硅和水。（5）無(wú)機(jī)酸一般易溶于水，而硅酸和原硅酸卻難溶于水。（6）在水溶液中，碳酸的酸性比硅酸強(qiáng)，二氧化碳與硅酸鈉反應(yīng)生成碳酸鈉和硅酸沉淀．在高溫下碳酸鈉與二氧化硅反應(yīng)生成硅酸鈉和二氧化碳，其原因是在高溫條件下，生成的二氧化碳離開(kāi)反應(yīng)體系而使反應(yīng)進(jìn)行到底。 2．無(wú)機(jī)非金屬材料 （1）傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料 ① 玻璃 原料：生產(chǎn)普通玻璃的主要原料是純堿（Na2CO3），石灰石（CaCO3）和石英（SiO2 ）。 主要設(shè)備：玻璃熔爐 反應(yīng)原理：將粉碎混勻的原料加強(qiáng)熱使之熔化，發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，冷卻即成玻璃。其中主

15、要化學(xué)反應(yīng)是： CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2 ↑ Na2CO3 + SiO2Na2SiO3 + CO2 ↑ 主要成分： 制造玻璃的原料中，石英是過(guò)量的，所以，普通玻璃是CaSiO3，Na2SiO3和SiO2 熔化在一起得到的物質(zhì)，其物質(zhì)的量之比為1：1：4，因此玻璃可表示為：Na2O·CaO·6SiO2。 主要性質(zhì)：硬而脆，受熱時(shí)在一定溫度范圍內(nèi)逐漸軟化，沒(méi)有一定的熔點(diǎn)，故作玻璃態(tài)物質(zhì)，耐酸腐蝕（HF除外）。 ②水泥 a. 普通水泥的主要成分為硅酸三鈣（3CaO·SiO2），硅酸二鈣（2CaO·SiO2）和鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）等。 b. 水泥的

16、特點(diǎn)是水泥具有水硬性，與水?dāng)v和攪拌并靜置后，很容易凝固變硬。 c. 混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物，混凝土常用鋼筋作結(jié)構(gòu)，這就是通常所說(shuō)的鋼筋混凝土。 （2）新型無(wú)機(jī)非金屬材料 類(lèi)別 示例 特性 用途 高溫結(jié) 構(gòu)陶瓷 氮化硅陶瓷 硬度極高，耐磨損，耐高溫，抗腐蝕，抗氧化能力強(qiáng)，電絕緣性好 汽輪機(jī)葉片、軸承、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、永久性模具 碳化硅陶瓷 硬度僅次于金剛石，耐高溫，且在室溫下能導(dǎo)電 電熱元件 生物 陶瓷 氧化鋁陶瓷 氧化鋯陶瓷 強(qiáng)度高，耐磨，無(wú)毒，不溶于水，對(duì)人體組織有較好的適應(yīng)性，可直接植于人體 人造牙齒、人造骨骼 壓電 陶瓷 鈦酸鋇陶瓷 鈦酸鉛陶瓷 可將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成信號(hào) 聲吶系統(tǒng)、氣象檢測(cè)、遙控環(huán)境保護(hù)、家用電器、壓電地震儀