再识半导体，学习无止境

——从2024年山东高考化学卷第16（2）题说起

南京智业天成   化学研究员   刘雪茹

随着2024年高考落幕，网上陆续浮现出各地各科高考题目，当我看到山东高考化学16（2）题时，有一种耳目一新的感觉，这不正是我们化学学科核心素养“科学态度与社会责任”的体现吗？

一、试题及分析呈现

【2024高考山东卷，第16（2）题】Mn的某种氧化物MnO_x的四方晶胞及其在xy平面的投影如图甲所示，该氧化物化学式为         。

当MnO_x晶体有O原子脱出时，出现O空位，Mn的化合价        （填“升高”“降低”或“不变”），O空位的产生使晶体具有半导体性质。下列氧化物晶体难以通过该方式获有半导体性质的是         （填序号）。

A.CaO               B.V₂O₅                C.Fe₂O₃                 D.CuO

【试题解析】该晶胞中，有8个Mn位于顶角，1个Mn位于内部，则Mn的个数为；有4个O位于面上，2个O位于内部，则O的个数为。Mn与O的个数比为1∶2，该氧化物化学式为MnO₂。金属氧化物的“脱氧”反应为还原反应，所以Mn的化合价降低。因为MnO₂中Mn呈+4价，且Mn还有+2、+3等稳定的较低价态，所以MnO₂晶体可以失去O原子形成较低价态Mn元素的氧化物，CaO中Ca呈+2价，且Ca只有呈+2价时才稳定，因此CaO难以失去O原子，而V₂O₅、Fe₂O₃、CuO中的金属元素V、Fe、Cu都有稳定的较低价态，则它们可以通过失去O原子获有半导体性质。

【命题分析】该题的第一空比较常规：均摊法解出氧化物晶体的化学式。第二、三空为信息给予题，有“高起点、低落点”的特点，解答时要求学生运用题中所给信息，迁移所学知识，经过综合分析，最终得出结论。

二、再识半导体

谈及半导体时，我脑海中首先浮现的就是“硅”和“类硅”。再翻教材，在人教版《必修第一册》P111也找到了答案：

半导体是什么呢？百度百科给出的解释：“常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。”半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。

而本题则从另一方面介绍了新型半导体材料的产生：晶体缺陷，从字面理解，就是晶体中存在不足、不完美之处。那么这种缺陷是怎样产生的？学无止境，查阅资料：在晶体中，构成晶体的微粒在其平衡位置上做热振动，当温度升高时，有些微粒获得足够能量使振幅增大，可脱离原来的位置而“逃脱”，这样在晶格中便出现空缺。另一方面，从晶格中脱落的粒子可进入晶格的空隙，形成间隙粒子，这类缺陷在实际晶体中普遍存在。此外，晶体中某些原子的位置可能被杂质原子所取代，这样就使晶体中出现无序的排列^[1]。根据缺陷的空间位置分类，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷（位错）、面缺陷和体缺陷。

化学是研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的科学。结构决定性质，因为晶体的缺陷使正常晶体结构受到一定程度的破坏或搅乱，从而导致晶体的机械强度、导电性等性质发生变化。这就解释了本题中提到的“晶体获有半导体性质”的原因。

三、命题启示

本题不仅为考生以后的专业选择及就业指明方向，还给我们命题人以启发：稳中求新。当然，创新的前提是立足教材，持续学习，不断提高自己的专业知识，与时俱进。成功无诀窍，功夫在平时。闲暇时光可以翻翻教材，对比教材的修订之处，思考这样修订的目的，在命题时也要注意规避修订前的问题。“新”不单单指时间上的新，也可以是大学教材里的信息：化学史、理论模型等。一些微信公众号推送的最新化学研究技术及应用和最新化学论文的片段等，均可作为命题时的情境素材。好记性不如烂笔头，与其需要时翻箱倒柜，不如平时随手收藏：建立一个文档，手机便签也可，遇到好的情境素材就复制粘贴。好的素材与巧妙的迁移相结合，即能孕育出比较优秀的题目。

【参考资料】

[1]《普通化学（第七版）》，浙江大学普通化学教研组 编，高等教育出版社。