无机非金属材料的金属硅.doc

无机非金属材料的主角硅
以“在美国加利福尼亚州有一个规模宏大的高科技工业园区，是美国电子技术研究中心和计算机生产的重要基地，那就是家喻户晓的硅谷。大家知道这样一个高技术产业开发区为什么被叫做“硅谷“吗？-----人们之所以用硅来作为高科技的代名词，是因为它在电子工业及材料科学中起到了及其重要的作用――计算机的芯片、电子身份证、传导电话的光缆、玻璃、陶瓷、水泥等，你能想象得出它们都是以硅或硅的化合物为材料制成的吗？”，今天我们一起来讨论第四章的第一节――无机非金属材料的主角硅。”接着带领学生看书本P62图4-1，同时阅读课本第一段内容，了解硅在地壳中的含量及自然界中的广泛存在，从而初步了解为什么硅在无机非金属材料中扮演着主要的角色。
一硅的存在：
碳和硅都是亲氧元素，但是硅的亲氧能力更强，所以在自然界中它总是与氧相互化合的，以硅的氧化物或硅酸盐存在。硅是地壳中第二个含量最多的元素，仅次于氧。硅和氧这两种最多的元素形成的化合物，几乎“垄断”了地壳。大部分岩石和砂子中都含有二氧化硅或硅酸盐。
二，二氧化硅
存在：化学式SiO2也叫硅石，是一种坚硬难溶的固体。它常以石英、鳞石英、方石英三种变体出现。天然的二氧化硅分为晶态和无定形两大类，晶态二氧化硅主要存在于石英矿中。纯石英为无色晶体，大而透明的棱柱状石英为水晶，具有彩色环带状或层状的称为玛瑙。。二氧化硅是硅原子跟四个氧原子形成的四面体结构的原子晶体，整个晶体又可以看作是一个巨大分子，SiO2是最简式，并不表示单个分子。无定形二氧化硅为白色固体或粉末。无定形指其无法形成晶体。
一般二氧化硅反应活性很低，硫酸、硝酸、盐酸等均不能与之反应，常见化学物质中只有强碱能稍稍腐蚀它，还有氢氟酸可以腐蚀它。但是由于无定形，改变了其构造，反应活性大大增强了，这就是反应性二氧化硅。
水晶的定义：水晶是一种无色透明的大型石英结晶体矿物。它的主要化学成份是二氧化硅。化学式为SiO2。世界上最大的水晶单晶体产于巴西，长5.5m，宽2.5m，重40余吨。世界上最大的优质水晶球直径21cm，重107磅，产于缅甸，整个球纯净无瑕，清澈如水，现存于美国华盛顿斯密逊博物馆。
玛瑙是一种宝石，<<本草纲目>>金石部第八卷记载：马脑，释名玛瑙。呈淡红色，象马的脑，故叫玛瑙珠，属玉石类，重宝也。玛瑙质地坚硬，碾造费工。色正无暇，可做各种装饰品。史料记载，佩带玛瑙工艺品，不仅为了装饰，而且可以使人头脑清晰，精力充沛，提高工作效率。玛瑙中含有：铁、锌、镍、铬、钴、锰等多种微量元素，长期使用有益健康。
二氧化硅的部分物理性质，如SiO2质硬、不溶于水等，
化学性质：
一般玻璃都是光滑，透明的，但是，同学们也常看到一些玻璃制品，如玻璃门、玻璃窗画有许多美丽的图案，这些图案是么画上去的呢？
SiF4↑ ＋ 2H2O
　　二氧化硅与碱性氧化物
　　SiO2 ＋ CaO =（高温） CaSiO3
　　（盛碱的试剂瓶不能用玻璃塞而用橡胶塞）
二氧化硅能溶于浓热的强碱溶液：
　　SiO2 ＋ 2NaOH = Na2SiO3 ＋ H2O
　　　　此时可再通过课本插图和课件进一步了解二氧化硅的其它重要用途如制作玻璃（普通玻璃是由纯碱、石灰石、石英为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融制得，00
石英坩埚 晶体叫做石英。石英在1600℃熔化成粘稠液体，内部变为无规则形态，再遇冷时，因为粘度大而不易再结晶，成为石英玻璃。它有很多特殊的性质，如能让可见光和紫外光通过，可用它制造紫外灯和光学仪器；石英膨胀系数很小，相当于普通玻璃的1/18，能经受温度的剧变，耐酸性能好，因此，石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器。
从高普通玻璃在传输过程中光损耗很大，用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维，是精细陶瓷的一种。
纯度的二氧化硅或称为石英玻璃熔融体中，拉出直径约为100µm的细丝，称为石英玻璃纤维。光导纤维的芯是石英玻璃纤维，外部包覆一层含硼、氟的材料或其他聚合物。石英玻璃的折射率为1.458，而皮层材料的折射率较小。光通过光导纤维的皮、芯层界面上多次全反射而传输。可实现多路、长距离传输光电信号。用于光通讯和光数据传输。
利用光导纤维可进行光纤通信。激光的方向性强、频率高，是进行光纤通信的理想光源。光纤通信与电波通信比较，光纤通信能提供更多的通信通路，可满足大容量通信系统的需要。
在实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强处理，制成像电缆一样的光缆，这样既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通信容量。光缆有质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性好、寿命长、输送距离远、保密性好、成本低等优点。光纤通信与数字技术及计算机结合起来，可以用于传送电话、图像、数据、控制电子设备和智能终端等，起到部分取代通信卫星的作用。
光损耗大的光导纤维可在短距离使用，特别适合制作各种人体内窥镜，如胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等，、医治各种疾病极为有利。不必切开皮肉直接插入身体内部，切除癌瘤组织的外科手术激光刀，即由光导纤维直接将激光传递至手术部位)
二氧化硅为高科技的迅猛发展立下了汗马功劳，但是它给环境以及人类的健康也带来了负面影响。在隧道开凿，石英粉加工等工作环境下易形成含有二氧化硅的粉尘，人长期吸入含有二氧化硅的粉尘，就会患硅肺病（旧称硅肺）。
2．硅酸
二氧化硅不能直接和水化合生成硅酸，那么怎样来制备硅酸呢？此时教师可告诉学生硅酸的酸性弱于碳酸，联系强酸制弱酸的原理，学生可能会想到通过盐酸等熟悉的强酸和硅酸盐反应来制取硅酸。这时让学生自己完成[实验4-1]，即在饱和硅酸钠溶液中滴加稀盐酸，并仔细观察变化过程及现象。通过实验不仅可使学生更好地了解硅酸的制取方法，还可使学生观察到硅酸还是一种不溶于水的酸，这也是硅酸的特性。接着教师再通过一个补充实验：将CO2通入Na2SiO3溶液中，引导学生观察白色胶状沉淀的生成，不仅更好地了解硅酸不溶于水，还加深了对H2SiO3的酸性弱于碳酸的认识。
生成的硅酸聚合成硅酸溶胶，硅酸浓度较大时，则形成软而透明的硅酸凝胶，硅酸凝胶经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶，称硅胶，硅胶多孔，吸附水分能力强，常用作实验室，视频，药品的干燥剂，也可以做催化剂的载体。弹性硅胶可以用来对先天性胸骨凹陷的护胸治疗。还可用弹性硅胶重建关节、耳朵、鼻子、乳房等。人造弹性硅胶眼窝底可以代替损坏了的支撑眼球的骨头。
3硅酸盐
（1钠是一种无色晶体，熔点高，易溶于水，他的水溶液俗称水玻璃，水溶液呈碱性
（2）作用：建筑工业和造纸工业用它做粘合剂，木材或织物用它浸泡后既防腐又不易着火
传统的三大硅酸产品：
陶瓷，成分复杂，主要是硅酸盐，制造原料是粘土和石英砂
水泥，制造原料是粘土、石灰石、石膏，注意生产过程中加入石膏的作用是调节水泥的硬化速度
玻璃：制造原料是纯碱、石灰石、石英。设备室玻璃熔炉，生产条件是高温熔融
3．硅单质
硅的单质直到18世纪才由化学家制备出来，熔点高、硬度大而脆黑色，有金属光泽
硅的主要用途：硅芯片，大规模集成电路一般采用在硅晶体上光刻电路的办法进行制造，一般就按照他使用的材料称为硅芯片。现在的计算机的cpu，都是采用硅晶体制造的，都可以称为硅芯片。
太阳能电池，当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。