师：同学们好，今天我们复习的主题是硅及其化合物。首先，请同学们思考以下几个问题：第一，硅的性质较为稳定，为什么自然界中没有单质硅存在？第二，可用于熔化氢氧化钠固体的是石英坩埚、陶瓷坩埚和铁干锅中的哪一种？第三，二氧化硅的熔点为什么远高于二氧化碳？第四，“从沙滩到用户”蕴含着怎样的化学原理？第五，硅及其化合物有哪些重要的应用？以上这些问题，大家都能顺利解决吗？假如还有暂时不能解决的，希望接下来的复习能帮到大家。好，接下来让我们开始今天的复习。

　　同学们听说过阿尔法狗吗？其实它并不是一条狗，而是第一个战胜世界围棋冠军的人工智能机器人。2017年5月，在中国乌镇围棋峰会上，阿尔法狗与世界排名第一的柯洁对战，以3 : 0获胜，震撼了世界。那么，作为一个成熟的人工智能机器人，大家觉得要解决哪几个关键问题呢？我想同学们首先都会想到，类似于人得有一个大脑，也就是要有一个指挥中心。那么这个指挥中心是什么材料制作的呢？用专用术语来说叫CPU，也就是中央处理器，从化学角度讲叫硅基芯片。那么从沙子到芯片蕴含着怎样的过程呢？下面请同学们来看一下视频介绍。

　　芯片究竟是怎么制造的呢？我们以CPU芯片为例，来看一下简化版的制作过程。首先，故事会从一捧沙子开始，沙子已经是纯度比较高的二氧化硅，经过筛选和熔炼能够冶炼出高纯度的硅。制作成规定形状后，再用切割机切割成薄片，也就是晶圆。晶圆需要进行一些处理，然后进入光刻环节，这有点类似于胶片感光的原理，通过紫外线照射把预先设计好的电路图刻到光刻胶层，然后再经过蚀刻、离子注入、电镀、抛光等步骤，将极其复杂的电路结构在晶圆上制造出来。最后经过测试、切割、封装，就成为了我们平时能看到的CPU芯片。芯片制造技术之所以非常困难，就在于要通过将近5000道工序，把数亿个晶体管在一片只有指甲盖大小的硅晶片上制造出来，还要进行复杂的逻辑设计。

　　好了，看完视频，我们了解了从沙子到芯片的大致过程。在这里，化学上同学们需要重点了解的是如何从沙子制备得到高纯硅。回顾旧知识，我们应该知道它大致分为两个过程。首先是制备粗硅，焦炭和二氧化硅在高温条件下反应制得粗硅。然后第二个阶段是硅的提纯，制得高纯硅，这个过程有两个反应。那么在制备粗硅这个过程中，工业上存在着怎样的缺点呢？显然它的缺点是能耗高，那么又该如何改进呢？这里要给同学们介绍一种工业上常用的方法叫耦联法，就是将自身不能自发进行的反应与另外一个相对容易发生的反应耦合，从而拉动原来不能进行的反应。譬如制备粗硅这个反应，我们看下面第二个反应，让氯气和硅作用生成四氯化硅，我们发现这个反应的吉布斯自由能小于0，所以将两个反应耦合起来，就能让原来难以进行的制备粗硅的反应变得容易起来。

　　好，关于硅基芯片，我们还想请同学们搞清楚以下几个问题。第一，为什么自然界没有硅单质？原因是硅是一个亲氧元素，所以自然界中硅元素多以硅酸盐的形式存在，常见的是二氧化硅以及硅酸盐。第二个问题，焦炭还原二氧化硅为什么需要高温？这是因为二氧化硅是原子晶体，硅和氧之间的共价键键能很大，结构稳定。通俗来讲，要将两个硅原子之间的氧原子拉出来是不容易的，所以需要高温。第三个问题，为什么用氢气而不用碳做还原剂还原四氯化硅来得到高纯硅呢？显然这两种都可以做还原剂，用氢气的好处是它的生成物是气态，而用焦炭做还原剂，有可能会引入固态的碳杂质。第四个问题，为什么第一步用焦炭做还原剂，而不是用氢气呢？这是从成本考虑，因为用氢气做还原剂成本太高。

　　好，围绕工业制备粗硅，我们来做一个题目。同学们需要思考的是，制备粗硅的这个反应为什么生成的是一氧化碳而不是二氧化碳？是不是因为焦炭过量的原因呢？我们从化学反应原理的角度来解释一下。首先有三个反应。接下来，请同学们先写出一氧化碳生成二氧化碳的热化学方程式，运用盖斯定律，我们得到的应该是这样一个热化学方程式。我们发现一氧化碳和氧气反应生成二氧化碳是一个放热反应，而且放出的热量比较多，这说明什么问题呢？这说明高温时一氧化碳更稳定。

　　换个角度，有同学会认为，同样是高温条件，高炉炼铁的产物是二氧化碳，那么类似地，这边制备粗硅在高温下也应该是二氧化碳，是不是这样呢？我们还是请同学们写热化学方程式。把碳和二氧化硅反应分别生成一氧化碳和二氧化碳的两个热化学方程式写出来，我们会看到是这样子的。显然这两个反应都是吸热过程，再给同学们这样的条件，反应4和反应5的熵变。那么运用吉布斯自由能公式，也就是我们说的ΔG = ΔH - TΔS，来算一下，要是反应4和反应5自发进行的最低温度是多少，也就是所谓的临界温度。我们算出来会发现是这样两个温度。再来看制备粗硅实际反应的温度是1773 - 2273K之间，所以我们可以肯定在这个温度范围内制备粗硅的反应产物只能是一氧化碳。那么刚刚为什么提出这个问题让同学们思考呢？我希望同学们在解决问题的时候，尽可能从化学反应原理的角度加以解释。

　　好了，前面我们刚刚讨论了制备一个人工智能机器人，首先要解决指挥中心的问题，现在指挥中心有了，用硅基芯片来制作，那么接下来应该会想到要解决的第二个问题是什么呢？第二个问题应该是指挥中心发出的信号要进行传递，所以这时候我们就想到需要解决的第二个问题，就是光纤传感的问题。

　　关于光纤传感，请同学们思考第一个问题，光纤通讯的原理是什么？这里光纤其实代表了两个意思，“光”指的是光波，是将音频、视频等需要传输的信号转变为光波，而“纤”指的就是我们说的光导纤维。光波在光导纤维内进行全反射，从而达到传输信号的目的，这就是光纤通讯的原理。而作为光纤，它的原材料就是二氧化硅，因为它透明、全反射能力强。所以了解了光纤通讯的原理，我们就会想到它需要用二氧化硅来制备。

　　接下来第二个问题，既然光纤是用二氧化硅来制作的，那么光纤可能会被哪些物质所腐蚀？我们考虑一个化学物质能被什么物质腐蚀，也就是会和什么物质反应，通常从两方面入手。第一，从它的通性考虑，我们会想到二氧化硅类比于二氧化碳，是一个酸性氧化物，所以它可以被强碱，比如氢氧化钠等腐蚀。第二方面，要考虑物质的特性，二氧化硅的特性是它能够与氢氟酸反应。所以我们要注意，不要让二氧化硅遇到氢氟酸、强碱等。

　　第三个问题，我们食品当中有时候会掺“沙子”，当然这个不是真正的沙子，其实是纳米级的二氧化硅。那么掺入二氧化硅的食品有害健康吗？同学们，如果留意的话，比如吃薯片时，会发现说明书上真的有二氧化硅。其实含量很少，对健康没有害处。那为什么要掺入纳米级的二氧化硅呢？原因实际上是纳米级的二氧化硅可以将食品包裹起来，从而防止食品之间相互结合而结块。所以简单来说，二氧化硅在这里的作用是抗结块。

　　第四个问题，存放氢氧化钠溶液的试剂瓶为什么不能用磨口玻璃塞？这个原因实际上和前面说的问题有关，氢氧化钠溶液是强碱，会和二氧化硅反应，生成具有粘性的硅酸钠，硅酸钠会将瓶颈和瓶塞粘结在一起，就打不开了。所以我们不能用磨口玻璃塞。那问题又来了，既然不能用磨口玻璃塞，为什么存放氢氧化钠的试剂瓶是玻璃瓶呢？这实际上是因为玻璃与氢氧化钠的反应速度很慢，所以可以用玻璃瓶来盛放。