第三单元　含硅矿物与信息材料

第二课时单质硅、二氧化硅的结构、性质及用途学习课题教师活动学生活动学习反馈教学设想1引入新课复习提问：（1）传统材料硅酸盐产品主要包括哪些？（2）光导纤维的主要成分是什么？（3）硅在自然界中无游离态，为什么？是不是单质硅的性质很活泼？思考、讨论问题并回答。（1）主要有玻璃、水泥和陶瓷等。（2）光导纤维的主要成分是：二氧化硅。（3）硅在自然界中无游离态，不是硅单质性质活泼。（硅元素的亲氧性和地壳运动等因素）温故知新，引入学习情境；设疑激发学生的思维，让学生带着疑问学习新知识，提高学习效率。过渡：下面我们就一起来讨论学习硅单质的性质和用途。2课前查阅资料（1）要求学生从查阅的资料和了解的知识总结硅单质的用途。（2）提供集成电路的有关资料。（3）问：资料中的应用体现了硅的哪些性质？讨论、交流、总结、回答。（1）硅的主要用途：是良好的半导体材料，是集成电路板的主要成分；制太阳能等；（2）体现硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间。从学生了解的知识入手，学习效果好；提供资料，让学生自主归纳，主动参与，激发思维。过渡：硅单质还有那些性质？3硅(silicon)单质的结构和性质（1）提供硅单质的彩图。（2）提供硅单质的结构图或结构模型；要求学生分析与哪种已学的物质的结构相似？（3）要求学生根据已学知识类推硅单质有哪些物理和化学性质？(4)整理硅的物理性质；（5）介绍硅的主要化学性质。（1）观察、讨论交流、类推、总结硅的物理性质。（2）讨论类推硅的化学性质。（3）学习硅的化学性质，有关化学、离子方程式的书写和氧化还原反应的电子转移的练习。（1）从彩图得：硅是灰黑色有金属光泽、硬而脆的固体。（2）从结构类推与金刚石的结构相似，是正四面体空间网状结构，性质也有相似之处。类推物理性质：熔沸点高、硬度大，难溶于溶剂。化学性质通常是稳定的。（3）常温下硅只和单质氟、氢氟酸、强碱溶液反应。高温加热时，硅可以和氧气、氯气、氢气反应。（1）通过图示来总结性质，培养锻炼学生的观察能力；（2）由结构类推性质，培养锻炼学生的分析推理能力，加深对物质结构决定物质性质的理解。（3）介绍硅的化学性质。（4）让学生学会运用类推、对比分析的学习方法。（思考探索）硅的性质通常时稳定的，那么自然界中为什么无游离态？请同学们课后查阅有关资料分析、讨论解决。过渡：由于硅的性质使硅的用途非常广泛而且非常重要。4硅的用途用多媒体展示一些用作原料制造的产品图片。观察总结硅的用途。主要用途：（1）用于制造硅芯片、集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件；（2）制造太阳能仪器装置；（3）制造合金，如含硅4（质量分数）的钢导磁性好制造变压器的铁芯；含硅15%(质量分数)的钢有良好的耐酸性等等。提供图片，学习用途时能联系实际，有利于记忆，学习效率高。同时学习过程生动有形。提高学习兴趣。过渡：硅的用途非广泛，特别是信息时代更离不开硅，自然界无游离态的硅，那么工业生产中是怎样生产硅的呢？5硅的工业制法从用途引入，介绍工业生产高纯度硅的主要过程原理和主要化学方程式。学习了解工业生产硅的过程及主要化学方程式。制粗硅：SiO2 + 2C Si + 2CO制纯硅：Si + 2Cl2 SiCl4(液态)，SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl。 理论联系实际，激发学生学习热情和探索意识。过渡：了解了硅的有关知识，我们再来学习二氧化硅的知识。6二氧化硅(silica)的结构、性质和用途（1）要学生展示收集的二氧化硅的实物和相应产品；（2）提供二氧化硅的在自然界的一些图片；多媒体展示二氧化硅的结构；（3）要求学生结合结构和收集的资料总结类推二氧化硅的一些性质；（4）介绍二氧化硅性质；要求思考二氧化硅与氢氟酸、强碱溶液反应的实际作用。（5）多媒体展示二氧化硅的一些制品。(6)播放光导纤维的生产和作用录像。（1）展示收集物品；（2）思考、交流、讨论、总结、类推二氧化硅的性质；（3）学习二氧化硅的性质；（4）总结二氧化硅的用途。（1）二氧化硅是正四面体的空间网状结构，在自然界中有水晶、石英和沙等形式。（2）性质：坚硬难溶难熔固体，是酸性氧化物，但是它不溶于水，也不与水反应；常温下只与单质氟、氢氟酸和强碱溶液反应。高温下与氧化钙、纯碱、石灰石等反应。（3）用途：制石英玻璃、是光导纤维的主要原料；制钟表部件；可制耐磨材料；用于玻璃的生产；在光学仪器、电子工业等方面广泛应用。运用结构分析推理性质的方法学习新知识，培养学生科学的学习方法；在学习中主动参与，锻炼能力。问题思考1.你有没有发现实验室中，盛装碱液的试剂瓶的塞子是什么塞？为什么不能用玻璃塞？2请画出碳原子和硅原子的原子结构示意图，比较两原子结构有何共同点？碳单质金刚石和晶体硅的结构和性质有相似之处吗？那么，CO2和SiO2呢？据所学知识列表比较它们的性质；分析思考产生性质差别的根本原因是什么？【提示】CO2SiO2物理性质无色无味气体，能溶于水。它的固体叫干冰。难溶、难熔的固体，硬度大，熔沸点高。化学性质是酸性氧化物：能与水反应、与碱反应、与碱性氧化物反应；与过氧化钠反应；与碳酸钠溶液反应；有水时能溶解碳酸钙；高温与碳反应等。是酸性氧化物，但不溶于水，不与水反应，常温只与单质氟、氢氟酸和强碱溶液反应；高温可与氧化钙、纯碱、碳酸钙碳单质反应。联系CO2 + 2H2O +Na2SiO3 = Na2CO3 + H4SiO4(酸性：H2CO3强于H4SiO4或H2SiO3)本课总结：这节课我们主要学习了硅单质和二氧化硅的结构和性质及用途，通过学习，我们了解到硅及其化合物在社会发展和人类文明进步历程中充当了一个非常重要的角色，可以说目前全球信息的流通、电子工业的发展都离不开硅的；我们也相信随着科技的发展，它们还会为人类文明的进步发挥更多的作用，创造更多的奇迹。希望同学们努力学习，掌握更多的科学知识，开发、研究硅这古老而又年轻的元素在更多方面的应用。【作业】p83.3.4.5.7【板书设计】第二课时二、硅单质1硅单质的结构：正四面体空间网状结构。与金刚石类似。2性质：（1）物理性质：晶体硅是灰黑色有金属光泽，硬而脆的固体；导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，熔沸点高，硬度大，难溶于溶剂。（2）化学性质：常温只与单质氟、氢氟酸和强碱溶液反应。性质稳定。Si +2F2 = SiF4（气态）, Si + 4HF = SiF4 +2 H2,4e-Si +2NaOH + H2O = Na2SiO3 +2H2, （Si +2NaOH + 4H2O = Na2SiO3 +2H2+ 3H2O.）加热高温：Si + O2 SiO2 , Si + 2Cl2 SiCl4 （液态）， Si +2H2 SiH4（气态）3.硅的用途：（1）用于制造硅芯片、集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件；（2）制造太阳能；（3）制造合金，如含硅4（质量分数）的钢导磁性好制造变压器的铁芯；含硅15%(质量分数)的钢有良好的耐酸性等。4工业生产硅：制粗硅：SiO2 + 2C Si + 2CO制纯硅：Si + 2Cl2 SiCl4(液态)SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl 三、二氧化硅的结构和性质：1SiO2的结构：正四面体的空间网状结构。（可以理解为在晶体硅的结构中两个硅原子中间插入一个氧原子。）2SiO2在自然界中有较纯的水晶、含有少量杂质的石英和普遍存在的沙。自然界的二氧化硅又称硅石。3SiO2物理性质：硬度大，熔点高，难溶于溶剂的固体。4SiO2化学性质：常温下，性质稳定，只与单质氟、氢氟酸和强碱溶液反应。SiO2 + 2F2 = SiF4 + O2 , SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O （雕刻玻璃的反应), SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O （实验室装碱试剂瓶不能用玻璃塞的原因）.加热高温：SiO2 + 2C Si +2 CO, SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2，SiO2 + CaO CaSiO3 .5SiO2的用途：制石英玻璃，是光导纤维的主要原料；制钟表部件；可制耐磨材料；用于玻璃的生产；在光学仪器、电子工业等方面广泛应用。附: 课前准备的阅读资料:传递信息的使者-光导纤维光导纤维又称导光纤维光学纤维，是一种把光能闭合在纤维中而产生导光作用的纤维。它能将光的明暗光点的明灭变化等信号从一端传送到另一端。光导纤维是由两种或两种以上折射率不同的透明材料通过特殊复合技术制成的复合纤维。它的基本类型是由实际起着导光作用的芯材和能将光能闭合于芯材之中的皮层构成。光导纤维有各种分类方法：按材料组成万分可分为玻璃石英和塑料光导纤维；按形状和柔性分为可挠性和不可挠性光导纤维；按纤维结构分为皮芯型和自聚集型（又称梯度型）；按传递性分为传光和传象光导纤维；按传递光的波长分为可见光红外线紫外线激光等光导纤维。 众所周知，玻璃是一种宁折不挠的硬性材料，它既不耐冲击，又不能拗屈。但把玻璃抽成细丝后，它就会一反常态地变得柔软耐磨，可挠易弯， 还具有不燃烧耐腐蚀隔热吸音强度大的特点。如经树脂涂层和印染处理，还可作为室内装饰用布。人们又发现，玻璃纤维的细度越细，则柔韧性越好，合股线的强力也就越高。又由于玻璃的透光性能好，还有传递光能的作用，因此，从70年代起，人们就成功地将二氧化硅玻璃纤维用于光通讯技术。这是第一代光导纤维，它是用二氧化硅玻璃纤维做芯线，线外用甲基丙烯酸酯涂膜，以增强光导纤维的机械强度和防止光能散射。通讯的原理是用玻璃纤维接受光讯号再传导给光调制器并经光探测器和光接受机，通过接口件转换成电磁讯号。这种光导纤维的重量只有普通电话电缆的千分之一。而且这种通讯方法具有容量大抗干扰性好能量衰耗小等特点，但是，这种光导纤维的抽丝和对接难度大，推广应用困难。于是，1964年美国首先研制成功了第二代光导纤维，它采用合成材料做芯线（如用重氢取代氢离子的聚甲基丙烯酸甲酯做芯线），外层涂料用聚乙烯或聚四氟乙烯。也有采用丙烯腈做芯线，用聚苯乙烯做涂料的光导纤维。这种光导纤维的芯线透射率高，涂层折射率低，光能损耗低于20dB，而且加工技术简单，可加工极细的光导纤维，目前应用的细度可达0.005mm以下，可方便地根据需要来加工导线的长度，这样可减少接头的损耗，而且柔软度优于玻璃纤维，便于推广使用。 光导纤维一般以束缆板管等形式使用。制造有机导光纤维的内芯和涂层材料很多，有的在聚甲基丙烯酸甲酯纤维上覆盖一层聚乙烯或其他不同折射率的材料（如聚四氟乙烯），还有的采用聚丙烯腈树脂覆盖腈纶芯丝。 在选择光导纤维的基材时，一般要求芯料的透光率高，而涂层材料要求折射率低，并且要求芯料和涂料的折射率相差越大越好。在热性能方面，要求两种材料的热膨胀系数相接近，若相差较大，则形成的光导纤维产生内应力，使透光率和纤维强度降低。另外，要求两种材料的软化点和高温下的粘度都要相接近，否则，会导致芯料和涂层材料结合不均匀，将会影响到纤维的导光性能。 影响光导纤维使用性能的因素很多，光导纤维的集光能力透光性分辨率和对比度是影响光导线传像能力的主要指标。数值孔径用于表示光导纤维集光能力的大小和接收光的多少，而数值孔径的大小直接与光导纤维芯料和涂层的折射率有关，芯料与涂层的折射率相差越大，则集光能力就越强，光导纤维的透光性则与所使用的材料数值孔径及纤维的几何尺寸有关，并随着纤维长度的增加而很快地下降。图像的清晰程度是由分辨率决定的， 而分辨率与光导纤维的直径成反比，因此光导纤维的直径尽可能地细。影响光导纤维对比度的因素主要有纤维的集光能力透光能力分辨能力和涂层的厚度。但涂层厚薄的程度宜适中，涂层厚度太厚会产生光的相互干扰，太薄则会漏光。采用光导纤维进行通讯，不仅能节省大量的金属资源，而且使用寿命长，结构紧凑，体积小，性能比电缆好得多，具有容量大抗干扰性好能量衰耗小，传送距离远重量轻绝缘性能好保密性强成本低等特点。就容量而言，是非常惊人的，一根直径只有千分之一毫米的光导纤维，可以同时传递32000对电话。如果采用激光通讯，一条光电缆能同时接通100亿条电话线路和1000万套电视通讯，可供全世界每人2 部电话使用。而且光导纤维通讯的频率范围宽传递的音质好，图像清晰色彩逼真。同时，由于光导纤维通讯的光能频率高，具有极好的抗干扰性，特别是使用激光光源时更为突出，把抗干扰性又提高了一步。光能在光导纤维中屏蔽传导不易泄露不易被截获具有良好地保密性。更不受空间各种频率电磁波的干扰，也不会受到风雨雷电的影响，是真正的全天候式安全通讯技术。光导纤维的特性决定了其广阔的应用领域。由光导纤维制成的各种光导线光导杆和光导纤维面板等，广泛地应用在工业国防交通通讯医学和宇航等领域。 光导纤维最广泛的应用在通信领域，即光导纤维通信。自20世纪60年代以来，由于在光源和光纤方面取得了重大的突破，使光通信获得异常迅速的发展。作为光源的激光方向性强频率高，是进行光通信的理想光源；光波频带宽，与电波通信相比，能提供更多的通信通路，可满足大容量通信系统的要求。因此，光纤通信与卫星通信一并成为通信领域里最活跃的两种通信方式。在医学上，光导纤维可以用于食道直肠膀胱子宫胃等深部探查内窥镜（胃镜血管镜等）的光学元件和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，即由光导纤维将激光传递至手术部位。 在照明和光能传送方面，利用光导纤维进短距离可以实现一个光源多点照明，光缆照明，可利用塑料光纤光缆传输太阳光作为水下地下照明。由于光导纤维柔软易弯曲变形，可做成任何形状，以及耗电少光质稳定光泽柔和色彩广泛，是未来的最佳灯具，如与太阳能的利用结合起来将成为最经济实用的光源。今后的高层建筑礼堂宾馆医院 娱乐场所甚至家庭依据都可直接使用光导纤维制成的天花板或墙壁，以及彩织光导纤维字画等，也可用于道路公共设施的路灯广场的照明和商店橱窗的广告。此外，还可用于易燃易爆潮湿和腐蚀性强的环境中不宜架设输电线及电气照明的地方作为安全光源。在国防军事上，光导纤维也有广泛的应用，可以用光导纤维来制成纤维光学潜望镜，装备在潜艇坦克和飞机上， 用于侦察复杂地形或深层屏蔽的敌情。 在工业方面，可传输激光进行机械加工；制成各种传感器用于测量压力温度流量位移光泽颜色产品缺陷等；也可用于工厂自动化办公自动化机器内及机器间的信号传送光电开关光敏元件等。 此外，还可用于火车站机场广场证券交易场所等大型显示屏幕；短距离通讯和数据传输；将光电池纤维布与光导纤维布巧妙地结合在一起制成夜间放光的夜行衣，不仅为夜行人起照明作用，还可提高司机的观察视距，能够有效地减少交通事故的发生。 光导纤维也存在一些不足之处：一是耐热性能差，一般只能在80以下长期使用，只有少数产品可在135以上的温度中工作；二是耐溶剂耐老化性能差，化学试剂氧光高能辐射等会引起分子主链断裂。 光导纤维必将在通讯国防医疗照明及各种技术传导的现有基础上出现新的突破，更广泛的普及应用于各个领域。 光导纤维问世光导纤维提供了一个途径，光在具有全内反射性能的玻璃纤维里进行传导。但在60年代中期科学家们也认真地考虑过其它的可能性。早在1820年。Augustine-Jean Fresnel就知道了在一个平玻璃板中的光收集的方程式。1900年，D. Hondros和Pete Debye 将这些反应式推广到玻璃线（当时的说法）。但是直到1964年，贝尔实验室 的Stewart Miller 才推导出探索作为一种有效的长距离传送媒体玻璃的具体方法。1970年，Corning 玻璃厂Donald Keck，Peter Schultz和 Robert Maurer成功地准备了第一捆有足够透明度的光纤维，使纤维-光通讯成为现实。虽然人们早知道头发丝那么细的玻璃股能将光传送过短的距离，而且工业和医学中要把光送到其它方式都无法接近的地方时也正应用着这一技术，但是光穿过30英尺长的纤维，就一般要失去99的威力。1966年，英格兰标准实验室的Charles Kao 和George Hockham 断定可以获得透明度高得多的纤维。在一篇具有里程碑意义的理论性论文中，他们表明现存纤维高损失的性能理论上是由玻璃中的微小杂质-主要是水和金属