高中化學第四章非金屬及其化合物4.1無機非金屬材料的主角——硅素材必修1

1、第四章 非金屬及其化合物 4.1 無機非金屬材料的主角硅砂中之寶硅當你漫步在海岸、河邊，看到那些潔凈的砂粒，你未必會注意它。常言道：“砂里淘金”。可是歷來人們總是毫不可惜地把砂子丟棄。但你是否知道，砂子里面還含有一種比金子有用得多的元素呢？這就是硅，如果說碳是有機世界的“主角”，那么，無機世界的“主角”該算是硅了。硅是地殼中第二個含量最多的元素，僅次于氧。在地殼中，絕大部分的硅是以二氧化硅的形式存在的，據(jù)統(tǒng)計，二氧化硅占地殼總重量的百分之八十七！也就是說，硅和氧這兩種最多的元素形成的化合物，幾乎“壟斷”了地殼。大部分巖石和砂予中都含有二氧化硅。雖然硅的化合物在地球上俯拾皆是，但是硅的發(fā)現(xiàn)卻費了

2、一番周折。早在十九世紀初，法國化學家就發(fā)現(xiàn)了不純的無定形硅，不過，當時人們對它很不了解。直到十多年后，人們才肯定它是一種新元素，又過了三十多年，人們才看到了硅的真面目。原來，它披一件灰色的“衣服”，能像金屬一樣發(fā)光。硅在常溫下比較“文靜”，但在熔融狀態(tài)就變得特別活潑好動，能和許多物質(zhì)發(fā)生化學反應，所以在自然界中人們從來沒有發(fā)現(xiàn)過單獨存在的硅。對于大多數(shù)人來說，竹子并不是一種十分陌生的植物。一提起它，人們都會知道它的“身材”十分“苗條”，可是它又長得非常高，有些人也許很替它擔心，要是一股大風刮過，會不會把它吹倒呢？對這你們不用擔心，無論多大的風也吹不倒竹子，至多也只能讓它東搖西擺。不信，你聽，竹

3、葉正”呼啦啦”地唱著勝利的歌。這正是“疾風知勁草”呀。竹子為什么會不怕風呢？原來，在竹子的莖干中含有豐富的硅的化合物，它們能幫助竹子增加自己的強度和韌性，所以竹子的莖干十分堅韌挺拔，風拿它一點辦法也沒有。這就使得竹子在禾本科植物中“鶴立雞群”。 w.w.w.k.s.5.u.c.o.m竹子還有兩個小“妹妹”，名字叫小麥和水稻，可是她們卻沒有一點“骨氣”，一遇風就會趴在地上，使得莊稼大量減產(chǎn)，這可叫農(nóng)民傷透了心。怎么才能叫她們也變得不怕風呢？現(xiàn)在，人們在田地里撒上一些可溶性的硅酸菌鹽肥料或硅酸肥料，就能治愈她們怕風的病根。原來，在小麥和水稻中，硅的含量是很少的，所以她們的莖干十分柔軟，很容易倒伏，

4、而這兩種肥料中都含有大量的硅，植物吸收之后，就會增強體質(zhì)，再也不用怕風了。后起之秀在年人們發(fā)明了晶體管后的一段時間里，用來制作晶體管的主要材料是鍺，因為鍺比硅更容易提純。但是，硅的半導體性能比鍺優(yōu)越得多，比如說吧，硅能在攝氏二百度下工作，而鍺只能在攝氏八十度以下工作，純硅在室溫下的本征電阻率為二十三萬歐姆厘米，而鍺的檢征電阻率只有四十六歐姆厘米，隨著制備高純度單晶硅工藝的提高，硅的作用已遠遠地超過了鍺，成為半導體材料的后起之秀。半導體硅是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的重要材料，比如，工業(yè)自動化所用的硅可控整流器中就使用了很多晶體硅。進入七十年代以來，我國在工業(yè)上普遍采用了硅可控整流器，大大提高了生產(chǎn)效率

5、。舉例來說，電鍍、電解等工廠在生產(chǎn)中都需要把交流電變成直流電，過去是用水銀整流器整流，不僅要浪費好多度電，可靠性差，而且容易使工人受水銀毒害?，F(xiàn)在，改用半導體硅整流器，工作穩(wěn)定、可靠、無毒，又節(jié)約了很多電力。僅上海一地的電解、電鍍工廠，在采用了硅整流器后，全年節(jié)約下來的電力就在兩千萬度以上。很多人都看過反映間諜活動的故事片。這些故事中的主人公有著高超的本領，即就是在敵人的嚴密監(jiān)視下，他們也能把情報發(fā)出去。我們看到，他沒有跟自己人接頭，那么，情報又是怎么送出去的呢？原來，奧秘就在他們胸前的紐扣上。那其實不是一個真正的紐扣，而是一只微型的發(fā)報機，他就是利用這只不引人注意的微型發(fā)報機把情報發(fā)出去。這

6、種發(fā)報機就是用晶體硅制成的。有句俗話說：“麻雀雖小，五臟俱全”。別看這種發(fā)報機只有紐扣那么大，可是上面卻有著大規(guī)模的集成電路，在它上面有上萬個二極管、三極管和電阻等電子元件。人們把單晶硅切成硅片，再涂上感光藥膜，再把大規(guī)模的集成電路縮小印制在它上面，加上一些其他的元件，最后把它的外形加工得像一只紐扣，就制成了一個微型發(fā)報機。硅這種奇特的性能在制造微型電子計算機時有很大作用。當人們制造出第一臺電子計算機時，由于用的是電子管，所有的設備大約要裝滿一幢大樓，后來人們改用鍺制成的晶體管，計算機的體積大為縮小，可是也能裝滿一間大房子。而在年時，我國的科技人員把中小規(guī)模的集成電路縮小印制在硅片上，制成了一

7、臺只有關導體收音機大小的電子計算機。現(xiàn)在，人們又把大規(guī)模、超大規(guī)模的集成電路印制在硅片上，可以制造出像筆記本一樣小的電腦。這樣，只要你把它往兜里一揣，什么時候想用就可以拿出來用，即使出了門也不會誤事。美國有一位推銷員講了這樣一個故事：有一次他到一家工廠去推銷產(chǎn)品，生意已經(jīng)談成了，只需要雙方簽訂合同就大功告成了，可是這家工廠里的電腦出了一些問題，于是他只好回到自己的公司，打印好了合同?？墒牵斔祷啬羌夜S時，那個經(jīng)理卻說他已經(jīng)同別人簽訂了同樣的合同，因此不需要再買他的東西了。其實，在這個推銷員走后，那個經(jīng)理經(jīng)過再三考慮后覺得，這個合同對他們廠的好處不很多，于是就反悔了。這個推銷員最后說，要是當

8、時有一臺筆記本大小的電腦帶在身上，在那個經(jīng)理已經(jīng)同意鑒定合同時就打印出合同來，不給他深思熟慮的時間，那么他的推銷活動就成功了。作為一種性能優(yōu)越的半導體材料，硅在其它方面也有重要的應用。太陽能是一種用之不盡取之不竭的廉價的能源，人們雖然制造出了很多種利用太陽能的材料和裝置，可是價格都比較昂貴，有的裝置結構復雜，制造起來很不方便。而用硅和鋁做成的太陽能電池，就避免了這些缺點。只要把鋁板作為襯底，在它上面覆蓋十至二十五微米厚的多晶硅薄膜，就是一種便宜而輕巧的太陽能電池材料，不但地面上可以使用，放在太空中它照樣能發(fā)出電來。硅還是同位素電池中換能器的主要材料。換能器是將同位素熱源發(fā)出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b

9、置。用硅和鍺的合金做的換能器，不怕高溫，不但機械強度高，而且耐蝕本領也超出一般的換能器，無論在真空還是空氣中都可以工作。如果有人問你們，汽車的輪胎是用什么制成的？很多人會一口答出：是橡膠。的確，幾乎所有的汽車輪胎都是用天然橡膠和合成橡膠制成的。然而，它們的使用溫度，一般都在攝氏一百五十度以下，否則就會變質(zhì)老化，而現(xiàn)代汽車的速度很快，因此輪胎與地面的摩擦力增大，摩擦帶來的熱量會使輪胎的溫度變得很高，這就大大縮短了輪胎的壽命。那怎么才能既不降低汽車的速度又能延長輪胎的使用壽命呢？人們發(fā)現(xiàn)，在橡膠中加入一些硅進去，就能延長輪胎的使用時間。硅橡膠“一身兼二任”，既有無機材料耐磨、耐高溫的本領，又有有機材料的彈性。特別是一些有機硅橡膠，在冰天雪地或烈日酷曬下（甚至高達攝氏三百五十度），都不龜裂、不老化、保持彈性，用它來制造汽車輪胎是再合適不過的了。玻璃是大家常見的物質(zhì)，它一般是透明的固體，如果加進一些稀土元素進去，它就會帶上各種各樣的顏色?？墒撬Ａв质且环N什么樣的物質(zhì)呢？原來，它是硅酸鈉的水溶液。從遠處來看，硅酸鈉的水溶液真是跟玻璃一般無二，簡直像極了，所以人們常把它叫做“水玻璃”。水玻璃不但外表很奇特，它的作用也很特別。大家知道，很多家