第4章 元素与材料世界

第1节     硅  无机非金属材料

一、   教材分析

（一）知识脉络

本节教材以无机非金属材料和硅单质及其化合物的性质两条线索相互交叉而展开，介绍了硅、二氧化硅的性质，硅单质的制法，硅、二氧化硅在计算机及通信等高技术领域的应用，常见的硅酸盐材料玻璃、水泥、陶瓷和新型无机硅酸盐材料的主要成分和用途。与旧教材相比，本教材加大了各种材料在社会日常生活中应用介绍的力度。

（二）知识框架

1．半导体材料与单质硅

①单质硅的物理性质：

②硅的化学性质：常温下不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，一般不与其他物质反应。加热条件下，可与氧气反应。

Si + O₂ 加热===== SiO₂       Si + 2F₂ === SiF₄        Si + 4HF === SiF₄ ↑+ 2H₂↑

③硅的工业制法：

工业上，用焦炭在电炉中还原SiO₂得到含有少量杂质的粗硅后再提纯。

SiO₂ + 2C 高温===== Si + 2CO↑

④硅的主要用途：作半导体材料；制造太阳能电池；制造硅合金等。

2．二氧化硅与光导纤维

①物理性质

②化学性质

   SiO₂ + 2NaOH == Na₂SiO₃ + H₂O           SiO₂ + CaO  高温===== CaSiO₃

   SiO₂ + 4HF == SiF₄↑ + 2H₂O

③二氧化硅的用途：制造电子元器件、光学仪器、精密仪器轴承、光导纤维、石英钟、工艺品、玻璃等。

3．硅酸盐与无机非金属材料

①玻璃、水泥

②无机非金属材料：

高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等

二、教学目标

1．  知识技能目标

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基本组成、性能、用途。

2．  方法与过程目标

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。

3．  情感态度与价值观目标

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成就的介绍，培养学生的民族自豪感。

三、重点、难点

（一）   知识上重点、难点

硅单质及其化合物的性质，硅的制法

（二）   方法上重点、难点

查阅收集相关资料的方法，多角度思维能力，归纳类比能力。

四、教学准备

1．查阅相关资料，常见半导体材料有哪些？硅有哪些主要用途？

2．光导纤维的主要成分是什么？光通信比普通电缆通信有哪些优点？光纤除用于通信外，还可用于哪些领域？

3．查阅有关资料，说明消防员穿的棉布衣服为什么比普通棉布衣服不易着火燃烧？

五、教学设计

［引言］材料是人类生活必不可少的物质基础。材料的发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。科技的发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。

［交流研讨］丰富多彩的物质世界，如各种日常生活用品，工农业设施，建筑，交通工具等等，你知道构成它们的材料有哪些？请你分别站在不同的角度，对它们进行分类。

［学生回答、教师总结］

构成它们的材料有：塑料、各种金属、木材、棉花、沙子、石头、水泥、玻璃、陶瓷、泥土等等……

从来源分：xx材料、人工合成材料

从导电性分：导电材料、半导体材料、绝缘体材料

从物质类别分：无机材料、有机材料；金属材料、非金属材料

从物质性质分：……

……

［过渡］站在不同的角度，对材料有不同的分类。今天我们学习第四章元素与材料世界。

［板书］第四章   元素与材料世界

［联想质疑］你能在沙子与计算机之间、沙子与计算机光通信之间建立起某种联系吗？（提示：沙子的主要成分是SiO₂）

［学生回答、教师总结］沙子――硅――芯片――计算机

［过渡］高纯度的硅是常见的最重要的半导体材料，水泥、陶瓷、玻璃等是常见的重要的含硅无机非金属材料。

［板书］{dy}节  硅  无机非金属材料

一、半导体材料与单质硅

［交流研讨］你知道的半导体材料有哪些？非金属单质有哪些相似的化学性质？

［学生回答、教师总结］除硅外，常见的半导体材料还有锗、铟等。大多数非金属单质一般可与金属、氧气、氢气、碱等物质反应。

［联想质疑］硅作为非金属，它具备这些性质吗？

［阅读总结］1。单质硅的物理性质：

2．硅的化学性质：常温下不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，一般不与其他物质反应。加热条件下，可与氧气反应。

Si + O₂ 加热===== SiO₂       Si + 2F₂ === SiF₄

Si + 4HF === SiF₄ ↑+ 2H₂↑

3．硅的工业制法：

工业上，用焦炭在电炉中还原SiO₂得到含有少量杂质的粗硅后再提纯。

SiO₂ + 2C 高温===== Si + 2CO↑

［交流研讨］什么原因促使硅成为一种重要的半导体材料？硅除作为半导体材料外，还有哪些用途？

［学生回答、教师总结］硅成为一种重要的半导体材料的原因是：原料丰富易得，价格低，常温下化学性质稳定。硅除作为半导体材料用来制集成电路、晶体管、硅整流器外，还可制造太阳能电池，硅合金等。硅合金用于制造变压器、耐酸设备等。

［板书］4。硅的主要用途：作半导体材料；制造太阳能电池；制造硅合金等。

［板书］二、二氧化硅与光导纤维

［交流研讨］阅读教材P105页第三段，说明在自然界哪些常见物质的主要成分是二氧化硅？从物质分类角度来看，二氧化硅属于哪类物质？可能具有那些性质？在实验室，为什么盛装碱液的试剂瓶不能用玻璃塞？

［学生回答、教师总结］自然界常见的沙子、鹅卵石、石英、水晶的主要成分是二氧化硅，纯净的二氧化硅为无色透明的晶体，不溶于水，熔点高、硬度大。它属于非金属氧化物、酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性。可与碱性氧化物、碱反应，还可与氢氟酸反应。

［讲解、板书］1。物理性质

        2．化学性质

           SiO₂ + 2NaOH == Na₂SiO₃ + H₂O           SiO₂ + CaO  高温===== CaSiO₃

           SiO₂ + 4HF == SiF₄↑ + 2H₂O

［交流研讨］过去，人们曾应用CaF₂粉末和浓H₂SO₄的混合物涂抹到玻璃上刻字作画，请说明原理。

［提问］1992年在美国曾提出一项关于通信方面的计划，大家知道是什么吗？

［讲述］是“信息高速公路”计划，而光纤、光缆是信息高速公路的基石。

光纤通信发展很快，全世界总量超过1亿公里。我国在这方面起步并不算晚，1995年一年铺设了130万公里，全国已形成八横八纵的干线网。拉萨和大多数县城已经铺设了光缆。中日、中美海底光缆已经开通。另外，光纤还用于医学等许多方面，如肠镜、胃镜。甚至可以利用内窥镜观察到心脏内部的情况。

［交流研讨］阅读教材，说明二氧化硅的用途。

［讲解、板书］3。二氧化硅的用途：制造电子元器件、光学仪器、精密仪器轴承、光导纤维、石英钟、工艺品、玻璃等。

［交流研讨］请尽可能多地列举出你见过的广泛使用的无机非金属材料。

［学生回答、教师总结］常见的无机非金属材料有：xx砂石泥土、水泥、玻璃、陶瓷、搪瓷等

［板书］三、硅酸盐与无机非金属材料

［联想质疑］（展示高压钠灯）高压钠灯的外罩是玻璃。里面的灯管是氧化铝陶瓷，又叫人造刚玉，是一种高温结构陶瓷。高温结构陶瓷是新型无机非金属材料中的一类。为什么高压钠灯的灯管要用氧化铝陶瓷来制造呢？

［教师讲述］因为：灯内温度高达1 400 ℃，钠蒸气具有强烈的腐蚀（还原）作用，一般的材料难于抵御钠蒸气强烈腐蚀。钠蒸气放电发光问题虽早在1950年就得以解决，但直到1965年发现用氧化铝陶瓷来制造高压钠灯的灯管，才能抵御钠蒸气的强烈腐蚀，从而制出{dy}支高压钠灯。由此说明材料对科技发展的巨大影响。

［阅读总结］阅读教材第三部分，回答下列问题：

1．  黏土、钾长石、钠长石属于哪类矿物？ 生产玻璃、水泥的主要原料分别是什么？

2．  水玻璃、玻璃、水泥的主要成分分别什么？生产玻璃的主要反应是什么？为什么玻璃没有固定的熔点？

3．  混凝土是什么与水混合凝固而成的？

4．  新型无机非金属材料高温陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷各有什么特性？什么用途？

［学生回答、教师总结］（略）［作业］有兴趣的同学课后搜集有关新型无机非金属材料的实物或文字资料，写一篇科普小论文。