第三单元　含硅矿物与信息材料ppt课件课堂实录

二氧化硅与信息材料

无锡市辅仁高级中学

周珏卉

师：乔布斯说过，创新无止境，唯一制约它的只有你的想象力。那么，在座的各位了解最前沿的科学技术嘛？有一项，你们一定听过：人工智能机器人。

师：我为什么把这项高科技放在这节课来讲？各位同学能不能用自己已有的知识来猜测下？

生：因为用到了硅。

师：那么你们觉得，硅元素具体能用在哪些技术上？

生：众说纷纭，大体围绕芯片来说。

投影：光纤传感，硅基（芯片神经元），硅胶仿真，太阳能发电。

师：重大科技突破，都源自于学科的融合，在这一集生物、物理、数学、化学与一体的技术中，但人工智能机器人这一仍然在研发中的科技产品上，硅，是非常重要的载体。今天，我们就来接近这一未来科技。

师：是硅的使用，催生了第三次工业革命，也就是半导体、计算机、互联网的发明和应用。进而间接推动了第四次工业革命，即智能化与信息化革命。是什么因素，使某种元素对应物质的大规模使用成为可能呢？

生：硅在地球上储量很大。

师：地壳中元素含量：氧、硅、铝、铁

投影：地壳元素所占的质量，物质的量。

师：我们发现，如果将质量换算成物质的量，排在前三位的是氧、硅、氢。请各位同学大胆猜测，在地球上，这三种元素，主要以什么物质的形式存在？

生：水和二氧化硅。

师：当然，我们也发现，在将氧原子分配给氢与硅之后，还有多，所以硅元素在地球上的主要形式为硅的氧化物与硅酸盐。

投影拿走了水的地球图片

师：三千多年前就被发现且用来制玻璃的二氧化硅，到了今天，在传感领域大放异彩。

播放视频：光纤的制作。

师：光导纤维：是一种透明的玻璃纤维丝，主要成分是二氧化硅。直径只有1~100um左右。它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率，光由一端进入，在内芯和外套的界面上经多次全反射，从另一端射出。

投影：光纤工作原理。

师：我们知道沙子中就含有二氧化硅，而光导纤维的主要成分就是二氧化硅，我们能否设计

实验来得到较为纯净的二氧化硅呢？

实验设计：二氧化硅的提纯。

投影：（马然）沙子中二氧化硅的提纯

设计从沙子中获取二氧化硅的流程。

（沙子中主要含SiO2，有少量Fe2O3等杂质）

师：我们知道，机器人需要在各种环境下工作，光导纤维性质如何，我们需要根据环境对其进行保护吗？

生：根据课本内容，二氧化硅的化学性质不活泼，不与水、酸（氢氟酸）除外发生反应，耐高温，耐腐蚀，但是能与碱性氧化物及强碱反应。

师：也就是说，二氧化硅会和氢氧化钠和氢氟酸反应，所以要有光纤涂覆层。

板书：二氧化硅与氢氧化钠反应。

展示：氢氧化钠溶液装在磨口玻璃瓶中，试管加热熔融的氢氧化钠（？）

师：硅在周期表中的位置位于碳的下方，它们在化学性质上是有相似性的。那么我们来类比一下，二氧化硅会和什么物质有相似点。

生：二氧化碳。

师：请各位回忆二氧化碳和氢氧化钠的反应。

生：生成碳酸钠。

师：请写出二氧化硅和氢氧化钠反应的方程式。

生：黑板书写。

师：而将试剂瓶瓶身和瓶塞粘合起来的物质，就是硅酸钠。它是一种工业粘合剂。所以实验室保存碱性溶液的试剂瓶，一般配备什么材质的瓶塞？

生：橡胶塞，软木塞。

师：再来看看机器人的主体部分。我们人类，由大脑决定行为，然后再由神经中枢，将决定转化成行动。那么对于人工智能来说，这一切，就是由计算机里模拟的神经网络用硅制造出来，制造出硅脑，以及硅的神经网络，打造硅基个体。

投影：科学家团队打造的硅基神经元。

师：说简单了，其实就是用微小的芯片组来模拟人类构造。那么，芯片是怎么制造出来的呢？

投影：从沙子——硅——芯片的视频

师：由二氧化硅提炼出硅的方法是什么？从氧化还原的角度，我们可以选择什么性质的物质和它反应？

生：加入还原剂。比如C。

师：大家尝试着写一下方程式。

生：生成二氧化碳。

师：拿出晶体硅和二氧化硅的模型。

生：发现结构基本相同。

师：推一推结构模型，发现是牢固的。感受一下沙子，是坚硬的。要将氧原子从结构中拉出来，那必定是困难的。所以，需要什么条件？

生：高温条件。

师：设想，碳原子花了很大力气将二氧化硅中氧原子拉出来，有能力再去拉一个吗？

生：不置可否。

师：我们想想看状态就知道了，当拉出一个氧原子后，已经成为了一氧化碳，此时，还有机会和二氧化硅接触吗？所以由此可见，得到的是一氧化碳。

用这个方法得到的硅，是粗硅，我们来看看物质的熔点。

投影：

师：我们会发现，得到的硅，会和二氧化硅，碳混在一起。如何能够更好的分离呢？

生：转化为四氯化硅。

师：如何将硅转化为四氯化硅呢？

生：（用氧化还原分析）和氯气反应，同时需要高温条件。

师：但最终产品仍然是硅单质。得到的四氯化硅，在高温条件下是气体，这回，我们可以选用什么物质作还原剂呢？

生：氢气。

师：请各位书写对应的方程式。

投影：视频，硅晶片的实际生产。

师：在视频中，我们也发现，硅是一种什么样的物质？

生：灰黑色，有金属光泽的非金属单质。

师：具有什么性质，能够用来制备芯片？

生：可做半导体。

师：我们来解决第三个问题：仿真。硅胶其实已经是生活中比较常见的物质了，性质稳定，无毒无味。它是由硅酸凝胶进一步制得的。硅酸凝胶又如何制得呢？我们还是来做类比。

生：由硅酸钠与酸制得。

师：演示实验。向硅酸钠溶液中滴加酚酞，溶液呈红色，（碳酸钠为碱性，碳酸是弱酸，推测硅酸也是弱酸），再向其中滴加盐酸。红色变浅，在某个瞬间凝结成凝胶装。

师：最后一个问题，留给在座的同学，怎样能够保证人工智能机器人，有源源不断的动力。

生：太阳能发电。

视频：月球探测

师：（硅的时间轴）从最原始的沙土，到玻璃，到光纤，到打败了国际象棋大师们的阿尔法狗，我们的科技，正在以想不到的速度在迅猛发展。但我们走的每一步，都是脚踏实地去对物质，对事物，最数据，对各种。。。精细分析，制造的过程。相信不久的将来，科幻片中的场景，就在我们身边。