硅及其化合物对人类文明的贡献论文

发布时间：2024-08-10 12:08:05

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硅是比锗更经得起当今器件工艺发展考验的半导体材料。在1966年已经生产40000千克半导体级硅(单晶超纯硅杂质含量小于1／109)，从而制造出40亿个元件，由硅晶体管和其他元件可组成集成电路，集成度越来越高，规模越来越大，而元件则愈做愈小。如一个直径为75毫米的硅片，可集成几万至几十万甚至几百万个元件，因而出现了微型计算机、微处理机等。天然橡胶和合成橡胶的使用温度，——般都在150℃以下，否则就会老化变质。20世纪40年代发展起来的硅橡胶，是以硅一氧一硅为主链的半无机高分子弹性体，兼有无机材料和有机材料的某些特点，使用温度范围广。硅橡胶还具有优异的耐臭氧、生理惰性和电气性能。某些特殊结构的硅橡胶，更具有优良的耐油、耐溶剂、耐辐射等特性，因此，硅橡胶广泛用于航空、字宙航行技术、电气及电子工业部门。另外，硅是同位素电池中换能器的主要材料；硅是一种便宜而轻巧的太阳能电池材料。还是制航天飞机用的耐热而极轻的硅瓦的材料。硅在自然界里含量很大，约占地壳总质量的四分之一，在所有元素中居第二位，仅次于氧。晶体硅，其结构与金刚石结构相似，也是原子晶体。因此，晶体硅有较高熔点、沸点和硬度。硅是良好的半导体材料，高纯度硅在电子工业上得到广泛的应用。半导体元件硅是比锗更经得起当今器件工艺发展考验的半导体材料。在1966年已经生产40000千克半导体级硅(单晶超纯硅杂质含量小于1／109)，从而制造出40亿个元件，由硅晶体管和其他元件可组成集成电路，集成度越来越高，规模越来越大，而元件则愈做愈小。如一个直径为75毫米的硅片，可集成几万至几十万甚至几百万个元件，因而出现了微型计算机、微处理机等。天然橡胶和合成橡胶的使用温度，——般都在150℃以下，否则就会老化变质。20世纪40年代发展起来的硅橡胶，是以硅一氧一硅为主链的半无机高分子弹性体，兼有无机材料和有机材料的某些特点，使用温度范围广。硅橡胶还具有优异的耐臭氧、生理惰性和电气性能。某些特殊结构的硅橡胶，更具有优良的耐油、耐溶剂、耐辐射等特性，因此，硅橡胶广泛用于航空、字宙航行技术、电气及电子工业部门。另外，硅是同位素电池中换能器的主要材料；硅是一种便宜而轻巧的太阳能电池材料。还是制航天飞机用的耐热而极轻的硅瓦的材料。

最先制得晶形硅的是最先制出纯铝的法国化学家亨利得维尔。1854年，得维尔用强电池组电解石英砂和冰晶石的熔融物，在阴极上得到一种灰色性脆的粒状金属（硅铝合金)。当这种金属颗粒冷却后，析出了一种有金属光泽的片状晶体。通过实验可知，这种片状晶体的化学性质与硅粉的性质完全相同，因而确信此片状晶体就是晶体硅。硅是比锗更经得起当今器件工艺发展考验的半导体材料。在1966年已经生产40000千克半导体级硅(单晶超纯硅，杂质含量小于1／109)，从而制造出40亿个元件。到1966年，用于这方面的硅已超过锗的用量。由硅晶体管和其他元件组成的集成电路，集成度越来越高，规模越来越大，而元件则愈做愈小。一个直径为75毫米的硅片，可集成几万至几十万甚至几百万个元件，形成了微电子学，从而出现了微型计算机、微处理机等。在铝衬底上，生长—层10—25微米厚的多晶硅薄膜，就是一种便宜而轻巧的太阳能电池材料，适于在太空和地面上使用。硅是同位素电池中换能器的主要材料。换能器是将同位素热源发出的热能转变为电能的装置。硅-锗合金做的换能器，其工作温度可达1000oC，机械性能和抗氧化性能很好，高温下不易蒸发和中毒，无论在真空还是空气中都能工作。航天飞机用的耐热而极轻的硅瓦，在航天飞机返回大气层时，它可保护机身不受超过1000oC高温的损伤。天然橡胶和合成橡胶的使用温度，一般都在150oC以下，否则就会老化变质。20世纪40年代发展起来的硅橡胶，是以硅一氧一硅为主链的半无机高分子弹性体，兼有无机材料和有机材料的某些特点，使用温度范围宽广。硅橡胶具有优异的耐臭氧、耐碱、生理惰性(对人机体没有不良影响，可做为某些脏器的修复材料，如人工关节)和电气性能。某些特殊结构的硅橡胶，更具有优良的耐油、耐溶剂、耐辐射等特性，因此硅橡胶已广泛用于航空、宇宙航行技术、电气及电子工业部门。用110—2甲基乙烯基硅橡胶做生胶原料，乙炔炭黑做填料可制成导电橡胶，是电子表中连接集成电路与液晶屏的理想导电材料。硅酸在水中能形成凝胶，因此可制得一种吸附剂---硅胶。硅胶是一种极性吸附剂，对H20等极性物质都有较强的吸附能力，工业上常用做干燥剂和吸附剂。硅酸钠的水溶液叫水玻璃，工业上称做泡花碱。木材及织物浸过水玻璃后，可以防腐，不易着火。硅溶胶是以Si02为基本单位的水中分散体。在羊毛纺织过程中，它可做为轻纺上浆的胶剂，以减少羊毛纤维的断头率，在涂层中含有硅溶胶，可提高无机纤维材料的表面抗热强度。在搪瓷器皿制造业中，加进硅溶胶以后，可降低膨胀系数，以改进对四氟乙烯的粘合性，在玻璃及玻璃陶瓷中亦有同样效果。若在玻璃中掺入25—30％的硅溶胶，可制得优质的硅硼酸玻璃。某些钠硼硅酸盐玻璃(含氧化钠、氧化硼和氧化硅)经过热处理，原子重新组合，就分为互不熔混的两部分。一部分主要含氧化硅，另一部分主要含氧化钠和氧化硼。如果再用酸处理，那么二氧化硅将不受酸的影响而留下来，而氧化钠和氧化硼则溶于酸中，剩下众多的空洞一—微孔，于是就制成了用途广泛的微孔玻璃。将微孔玻璃烘干，烧结，就得到高硅氧透明玻璃。它耐高温，热稳定性好，透紫外线能力强，可在多方面代替石英玻璃，适宜做高温观察窗，比如宇宙飞船上的观察窗。迫过它去观察物体，不会发生变形，因为它的光学均匀性也很好。如果在普通的钠铝硼硅酸盐玻璃中加入少量卤化银做感光剂，微量铜做增感剂，用玻璃常规工艺熔化，退火再经适当处理，就能制成卤化银光色玻璃。它会因光的强度不同而改变颜色，在强光防护、显示装置、光信息存储、交通工具上的挡风玻璃等方面，都有重要用途。纯净的二氧化硅晶体叫做石英。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；它的膨胀系数小，能经受温度的剧变，而且有很好的抗酸性（除氢氟酸外），因此，常被用来制造高级化学器皿。医用激光器配置的光能传输系统是用石英光导纤维制成的，它不仅细巧轻便，灵活自如，且可将激光能量传入人体内脏器官进行医治。一种新型水泥——双快水泥，具有快凝、快硬的特点。它浇注一天后的强度，相当于普通水泥浇注7-28天的强度，可用于滑升模板施工、预应力混凝土构件、砌块的快速成型和脱模，也可用它做矿井巷道喷射混凝土或机械铸件造型自硬砂。用废轮胎等制成海绵状弹性体，与粘结性强的乳剂和水泥混和搅拌，就成为橡胶水泥。它克服了原有混凝土的缺点，能防止龟裂、剥离和吸水，既可用于铺路，又可用于建筑物上。 SiC叫碳化硅，又叫金刚砂。它具有类似金刚石的结构，硬度极大，而且分解温度又很高，所以在工业上大量用作磨料。氮化硅陶瓷的强度和硬度很高，抗热震性和耐化学腐蚀性好，摩擦系数小且有自润性，是一种优越的耐磨材料。用氮化硅陶瓷制成的机械密封圈，经过几百到几千小时的运转后，磨损较小，寿命较原用材料提高几倍到十几倍。以碳化硅陶瓷为基板的碳化硅远红外辐射板，被加热到一定温度后，能辐射出2—15微米以上的长波红外线，它对有机物，高分子物质以及对远红外线有强烈吸收峰的含水物质等，有很高的干燥效率。目前，这种碳化硅远红外辐射板巳用于自行车、缝纫机、家俱；木材，皮革，纺织，食品及粮食作物的干燥。

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从硅及其化合物在国民经济中的地位来看，从学科发展的角度来看，硅及其化合物在材料科学和信息技术等领域有广泛的用途，在半导体、计算机、建筑、通信及宇宙航行、卫星等方面大显身手，而且它们的应用前景十分广阔；硅酸盐工业在经济建设和日常生活中有着非常重要的地位。无机非金属材料中硅元素唱主角，而含硅元素的材料制品大都是以二氧化硅为原料。所以，首先介绍硅及其化合物，突出了它在社会发展历程中、在科学现代化中的重要性和应用价值。从物质存在和组成多样性的角度来看，硅是无机非金属的主角，是地壳的基本骨干元素。自然界中的岩石、土壤、沙子主要以二氧化硅或硅酸盐的形式存在，地壳的95%是硅酸盐矿。所以，介绍硅及其化合物，体现了硅元素存在的普遍性和广泛性。从认知规律来看，硅元素的主要化合价只有 4价，硅单质比较稳定，硅的化合物知识也比较简单。因此，学生的学习负担比较轻，有利于学习积极性的保护和培养。本节内容编排有以下特点：从硅及其化合物的知识体系来看，它由二氧化硅和硅酸、硅酸盐以及硅单质等三部分内容组成。在内容编排上打破常规，首先从硅的亲氧性引出硅主要存在的两种形式——二氧化硅和硅酸盐，接着介绍二氧化硅的性质，再介绍硅酸、硅酸盐的一些性质，最后介绍硅单质。先学习比较熟悉的硅的化合物，再学习单质硅的顺序符合认知规律，有利于学生接受。从知识内容的安排上来看，重点、非重点把握准确。主干内容保持一定量，并重彩描绘。例如，二氧化硅的知识突出酸性氧化物的性质，在“科学视野”中介绍硅氧四面体结构，了解二氧化硅的一些物理性质，然后以图配文的方式介绍了二氧化硅的用途，最后让学生通过日常生活中的一些事实，以“思考与交流”的方式得出二氧化硅的化学性质。在学习二氧化硅的化学性质时，既介绍了酸性氧化物的共性，又介绍了SiO2的特性，扩展了学生对非金属酸性氧化物的认识。硅酸盐重点介绍硅酸钠溶液的性质和用途。对非重点知识和拓展性内容，采用多种形式来呈现。例如，简要介绍了硅酸的制取原理和硅胶的用途，应用广泛的硅酸盐产品以图片的形式呈现，一些新型陶瓷以“科学视野”的方式介绍，硅酸盐的组成以“资料卡片”的形式介绍，等等。总之，硅及其化合物知识的介绍，既体现了元素存在的广泛性又体现了应用的前瞻性，既有亲近感又可以使学生开阔眼界，同时也能使学生增强对学习化学的重要性的认识。本节教学重点：二氧化硅的性质。本节教学难点：硅酸盐的丰富性和多样性。教学建议如下：采用对比的方法，联系碳、二氧化碳等学生已有的知识和生活经验来介绍硅、二氧化硅等新知识。联系和对比是一种有效的学习方法，通过对比可加深对知识的理解，有利于学生对知识的记忆和掌握。因此，应指导学生学会运用对比的方法来认识物质的共性和个性、区别和联系。碳和硅是同一主族相邻的两种元素，它们的性质既有相似之处，又有不同之处。在教学时要突出硅的亲氧性强于碳的亲氧性，从而引导学生理解硅的两种存在形式——二氧化硅和硅酸盐。对于SiO2化学性质的教学，可启发学生根据SiO2和CO2都是酸性氧化物这一特点，把它们的性质一一列出。然后引导学生从硅的亲氧性大，得出常温下SiO2的化学性质稳定；在加热的条件下，SiO2才能与碱性氧化物起反应，等等。在介绍硅酸时，可以补充这样一个实验：将CO2通入Na2SiO3溶液中，引导学生观察白色胶状沉淀的生成，从而加深对H2SiO3的酸性弱于碳酸的认识。对于硅单质，主要让学生了解硅是重要的半导体材料，在电子工业上有广泛的用途。SiO2的结构知识属于拓展性内容，在教学中不作要求。要多运用日常生活中的事例进行教学。非金属元素首先介绍硅元素，硅的化合物普遍存在是原因之一。因此，教学时要多注意联系生产和生活实际，充分利用实物、模型及教科书中的彩图和插图，通过放映教学录像，学生自己搜集有关的实物或照片，在课堂上展示交流等方法，增强教学的直观性，激发学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感。例如，可用生活事例来说明SiO2质硬、不溶于水的性质，引导学生通过观察教科书中的图片、观察陶瓷和玻璃制品等实物来了解硅酸盐的广泛用途等。通过自学讨论的方法进行硅酸盐的教学。学生的学习是一个自主构建的过程。他们带着自己原有的知识背景、活动经验和理解走进学习活动，并通过自己的主动活动，包括独立思考、与他人交流和反思等，去构建对化学知识的理解。例如，讲硅酸盐时可指出，最常见的可溶性硅酸盐是Na2SiO3，它的水溶液称为水玻璃。然后展示样品，观察水玻璃的黏稠性。同时拿出一块反复充分浸过水玻璃并已干燥的布条，把它放在火焰上，结果布条不能燃烧，从而认识用水玻璃浸泡织物可以防火。最后，对于硅酸盐的丰富性和多样性，建议学生以阅读、交流的方式来完成。二、活动建议实验4-1】控制溶液混合物的酸碱性是制取硅酸凝胶的关键。盐酸的浓度以6 mol/L为宜。

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