2019-2020年高考化學一輪復習 硅 無機非金屬材料教案 魯科版必修1.doc

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2019-2020年高考化學一輪復習 硅 無機非金屬材料教案 魯科版必修1 1 半導體材料與單質硅 1．半導體材料 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．單質硅 （1）存在：自然界中無單質硅，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：單質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： ①在常溫下，硅的化學性質不活潑，不與O2、Cl2、H2SO4、HNO3等發(fā)生反應，但能與F2、HF和強堿反應。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發(fā)生反應。如研細的硅能在氧氣中燃燒：Si + O2 SiO2 （3）硅的制備 由于自然界中沒有單質硅的存在，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 （4）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，耐酸設備等。 【知識鏈接】 半導體材料的用途 物質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 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，含有有色雜質的石英晶體叫做瑪瑙。另外二氧化硅也是構成巖石的重要成分。 2、二氧化硅的物理性質 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 （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：SiO2 ＋ CaO CaSiO3 （2）特性 ①SiO2不溶于水，也不與水反應。 ②二氧化硅在常溫下與氫氟酸反應： 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溶液時應該注意什么問題？ 提示：1．不能通過SiO2與H2O反應的方法來制取其對應的水化物——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，應保存在塑料瓶中。NaOH 溶液不能保存在玻璃塞的玻璃瓶中，應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 CaO＋CO2CaCO3 CaO＋SiO2CaSiO3 與堿液的反應 2NaOH＋CO2＝Na2CO3＋H2O SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O 與鹽反應 Na2SiO3＋CO2＋H2O＝Na2CO3＋H2SiO3↓ Ca(ClO)2＋CO2＋H2O＝CaCO3↓＋2HClO SiO2＋CaCO3CaSiO3＋ CO2↑ SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑ 與碳反應 C＋CO2＝2CO 2C＋SiO2Si＋2CO↑ 與H2O作用 CO2＋H2O＝H2CO3 不與水化合 與酸反應 不反應 只與HF反應 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。 6、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。如果將許多根經過技術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，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，通訊質量高，能防竊聽。 （3）光纜質量小而且細，不怕腐蝕，鋪設方便。 （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用。目前在醫(yī)學領域，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”不用切開皮膚和切割肌肉組織，而且切割部位準確，手術效果好。 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。 【知識鏈接】 多姿多彩的光纖 光纖內窺鏡：束狀光導纖維能對圖像進行傳遞、分解、合成和修正等．醫(yī)用內窺鏡能直接插入人體某個部位進行檢查，而不會引起病人痛苦與不舒服感。在工業(yè)生產中，利用內窺鏡檢查一些由于各種原因而不能打開的系統(tǒng)的內部結構，使生產能照常進行。 軍事用光纖：光纖技術在軍事方面的應用的發(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上應用，延伸到軍事的各個領域，包括長距離光纖傳輸系統(tǒng)、戰(zhàn)術光纖通信網絡系統(tǒng)、雷達防御系統(tǒng)、空戰(zhàn)指揮及控制系統(tǒng)、導彈和魚雷制導系統(tǒng)等等。 光纖裝潢藝術：光纖裝潢是用不同的光纖根據設計需要組成不同的形狀，如光纖廣告顯示屏、光纖盆景、光纖舞臺裝置及光纖工藝品等。它們具有亮度適宜、色彩柔和、圖案細膩、造型奇特，集光、電、聲于一體等特點。 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光引入室內，是一種有前途的采光照明方式，再輔以太陽能電池還可供建筑在夜間照明。 3 硅酸鹽與無機非金屬材料 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。粘土的種類很多，常見的有高嶺土和一般粘土，前者含雜質較少，后者含雜質較多。 （2）硅酸鹽組成的表示方法 硅酸鹽的種類很多，結構復雜，無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 化學式法： 一般用于組成較簡單的硅酸鹽。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） 2MgOSiO2 高嶺石〔Al2(Si2O5)(OH)4〕 Al2O32SiO22H2O 正長石(2KAlSi3O8 ) K2OAl2O36SiO2 說明：用氧化物的形式表示硅酸鹽的組成時，各氧化物的排列順序為： 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，而碳在高溫下能從二氧化硅中還原出硅。（2）非金屬單質與強堿溶液反應一般不生成氫氣，而硅與氫氧化鈉等強堿溶液反應產生氫氣。（3）非金屬單質一般不與非氧化性酸反應，而硅不但與氫氟酸反應，而且有氫氣生成。（4）酸性氧化物一般不與酸發(fā)生復分解反應，而二氧化硅卻能與氫氟酸反應，生成四氟化硅和水。（5）無機酸一般易溶于水，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，二氧化碳與硅酸鈉反應生成碳酸鈉和硅酸沉淀．在高溫下碳酸鈉與二氧化硅反應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反應體系而使反應進行到底。 2．無機非金屬材料 （1）傳統(tǒng)無機非金屬材料 ① 玻璃 原料：生產普通玻璃的主要原料是純堿（Na2CO3），石灰石（CaCO3）和石英（SiO2 ）。 主要設備：玻璃熔爐 反應原理：將粉碎混勻的原料加強熱使之熔化，發(fā)生復雜的物理化學變化，冷卻即成玻璃。其中主要化學反應是： CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2 ↑ Na2CO3 + SiO2Na2SiO3 + CO2 ↑ 主要成分： 制造玻璃的原料中，石英是過量的，所以，普通玻璃是CaSiO3，Na2SiO3和SiO2 熔化在一起得到的物質，其物質的量之比為1：1：4，因此玻璃可表示為：Na2OCaO6SiO2。 主要性質：硬而脆，受熱時在一定溫度范圍內逐漸軟化，沒有一定的熔點，故作玻璃態(tài)物質，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（3CaOSiO2），硅酸二鈣（2CaOSiO2）和鋁酸三鈣（3CaOAl2O3）等。 b. 水泥的特點是水泥具有水硬性，與水攙和攪拌并靜置后，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構，這就是通常所說的鋼筋混凝土。 （2）新型無機非金屬材料 類別 示例 特性 用途 高溫結 構陶瓷 氮化硅陶瓷 硬度極高，耐磨損，耐高溫，抗腐蝕，抗氧化能力強，電絕緣性好 汽輪機葉片、軸承、發(fā)動機部件、永久性模具 碳化硅陶瓷 硬度僅次于金剛石，耐高溫，且在室溫下能導電 電熱元件 生物 陶瓷 氧化鋁陶瓷 氧化鋯陶瓷 強度高，耐磨，無毒，不溶于水，對人體組織有較好的適應性，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 可將極其微弱的機械振動轉換成信號 聲吶系統(tǒng)、氣象檢測、遙控環(huán)境保護、家用電器、壓電地震儀