非金属材料硅2课时教案.docx
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非金属材料硅2课时教案
第四章非金属及其化合物
第一节无机非金属材料的主角—硅
备课人祁建平黄宇
【教材分析】
本节课主要介绍无机非金属材料的主角——硅及其化合物的物理性质、化学性质及存在应用等。
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,最后介绍在高新技术领域应用广泛的硅单质。
【教学方法】1、自主学习,培养学生自学的能力。
2、活动探究,通过硅与碳、二氧化硅与二氧化碳的比较,培养学生的归纳能力、比较能力。
【教具】多媒体电脑投影设备、必须的实验仪器和药品
【课时安排】2+2
第一课时二氧化硅及硅酸;
第二课时硅酸盐及硅;
第一课时
【教学目标】1、了解硅在自然界中的含量、存在、用途
2、了解二氧化硅的物理性质,掌握二氧化硅的化学性质
【教学重点】二氧化硅的性质(尤其是作为酸性氧化物的性质)
【教学难点】二氧化硅的存在等STS关注的拓展性学习内容
【教学过程】
[引入]我们生活的地球,它坚硬的地壳是由什么构成的?
岩石,构成岩石的主要成分是硅酸盐及硅的氧化物。
[问]一提到硅,同学们又能想到什么呢?
硅谷:
美国新兴的高技术产业开发区,电子技术研究中心,计算机生产的重要基地,位于加利福尼亚州圣弗朗西斯科南端.
半导体:
单晶硅是半导体器材的核心材料,硅半导体是集成电路的主要材料,估计在21世纪,硅仍然会占半导体材料的95%以上.
沙子、石英、水晶:
主要成分是硅的氧化物
光导纤维:
从石英玻璃熔融体中,拉出直径为100微米的细丝.再把千百根光导纤维组合并增强处理,就制成光缆,其优点:
质轻,体积小,输送距离长,保密性好,成本低。
[导入]从古至今,在无机非金属材料中,硅一直都在扮演着主要的角色。
今天,就让我们一同来研究一下硅的氧化物------二氧化硅及硅酸和硅酸盐的性质。
[板书]第四章第一节无机非金属材料的主角------硅
(一)
[讲]硅在地壳中含量丰富,仅次于氧,排在第二位,约占26.3%。
[看书]元素周期表
[讲]位于周期表中的第四长列上的是碳族,这一族可谓是豪门望族。
其中具有代表性的是其中的两位兄长。
碳,形成了无数种构成人类和其它地球生物等的有机物,“统治了有机界”。
其构成的煤、石油等有机化产品和材料是现代化的基石。
而它的弟弟------硅,地壳质量的约90%,构成了地壳大部分岩石、沙子和土壤,“统治了地壳”,而当今硅酸盐工业的陶瓷、玻璃、水泥等使人类生活日新月异。
[思考与交流]画出C、Si的原子结构示意图,并由此分析:
硅的化学性质活不活泼,为什么?
硅的化合价主要是多少?
[讲]Si原子最外层有四个电子,既不易失电子,也不易得电子,所以,硅的化学性质不活泼。
主要形成正四价的化合物。
硅是一种亲氧元素,在自然界它总是与氧相互化合。
所以在氧化气氛包围的地球上,硅主要以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在。
[思考]常温下,单质碳、硅的化学性质都不活泼,为什么碳在自然界中有稳定的单质(金刚石)存在,而硅却没有,说明了什么?
单质硅的化学性质虽然稳定,但硅是一种亲氧元素,硅原子和氧原子的结合非常牢固,形成的二氧化硅或硅酸盐中的硅氧化学键非常牢固,硅氧键一旦形成就很难被破坏,所以,自然界中硅都是以二氧化硅或硅酸盐的形式存在,没有游离态的硅。
[过]下面我们首先来研究一下二氧化硅的性质和用途。
[板书]一、二氧化硅和硅酸
1、二氧化硅(SiO2)(silicondioxide)
(1)存在
SiO2是硅的重要化合物。
地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12%,其存在形态有结晶形和无定形两大类,通称硅石。
[投影]并展示水晶、玛瑙、石英坩埚、一段光缆
[讲]水晶是自然界中六方柱状的透明晶体,玛瑙的成分也是SiO2,它们除了一些常见的可作饰物等用途外,SiO2在工业上用途也非常广泛,例如,以石英为材料而制成的纤维在电信行业的应用等。
[板书]
(2)用途
[投影小结]
①制光导纤维②石英玻璃制化学仪器③石英表、石英钟④水晶制光学仪器和工艺品
⑤玛瑙制精密轴承和装饰品
[讲]结合已有的关于水晶、沙子主要成分也是SiO2的知识,思考一下,SiO2的物理性质有哪些,注意与CO2进行比较研究
[板书](3)物理性质:
熔点高,硬度大的固体、不溶于水,纯净的SiO2晶体无色透明
[思考]为什么SiO2与CO2的性质有这么大的差别呢?
[讲]主要取决于结构的不同。
CO2是C与O通过化学键所连接的分子结构,而SiO2是Si—O四面体结构
[投影]硅氧四面体结构
[讲]四面体:
每1个Si原子周围结合4个O原子,Si在中心,O在四个顶角.同时每1个O原子周围结合2个Si原子相结合。
二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为2:
1,通常用SiO2来表示二氧化硅的组成.
[板书](4)结构:
空间网状结构
[讲]我们说,结构决定性质,SiO2的网状结构不仅决定了其物理性质的特殊性,还决定了其化学性质的稳定性。
[板书](5)化学性质:
稳定,不活泼
具有酸性氧化物的性质:
(不溶于水且不和水反应)
与强碱反应:
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
与碱性氧化物反应:
SiO2+CaO
CaSiO3
[讲]SiO2除了具有酸性氧化物的通用性之外,还具有特性。
比如酸性氧化物一般不与酸反应,而SiO2却能与HF反应,这也是工业上雕刻玻璃的反应原理
[板书]
与HF的反应:
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
[讲]除此之外,SiO2在制水泥、玻璃、纯硅时,还有一些特殊反应
[投影小结]
弱氧化性:
SiO2+2C
Si+2CO↑(工业上制粗硅)
与某些盐反应:
Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑
CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑(工业上制玻璃的主要反应)
[思考与交流]1、实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸?
HF能腐蚀玻璃,因此,盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。
2、实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞?
NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成Na2SiO3,使瓶塞部分粘结而无法打开。
因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。
3、比较CO2与SiO2的区别(见板书设计的表格)
[过]刚才我们提到SiO2不能溶于H2O得到相应的酸,但它对应的酸叫硅酸,那么硅酸是一种怎样制的酸呢?
[板书]2、硅酸(H2SiO3)
[讲]H2SiO3是一种比H2CO3还要弱的酸,它不溶于水,不能使指示剂变色,是一种白色粉末状的固体。
[板书]硅酸是一种弱酸,它不溶于水,不能使指示剂变色,是一种白色粉末状的固体。
[问]SiO2不溶于水且不和水反应,那么如何制备硅酸呢?
结合初中制备CO2的方法来设想一下?
[讲]初中制备CO2是利用碳酸盐与强酸反应,是强酸制弱酸的原理。
H2SiO3也是一种很弱的酸,我们是否也可以用硅酸盐来制备呢?
[投影实验]P76实验4-1
实验4-1:
向饱和Na2SiO3溶液中滴入酚酞,再滴入稀盐酸
现象
滴入酚酞溶液显红色,再滴入盐酸红色消失,并有透明胶状物质生成
结论
Na2SiO3溶液呈碱性,与酸反应生成了H2SiO3且H2SiO3难溶于水
化学方程式
Na2SiO3+2HCl==H2SiO3↓+2NaCl
[问]若改向Na2SiO3溶液中滴加H2SO4会有什么现象呢?
[板书]Na2SiO3+2HCl==2NaCl+H2SiO3↓
Na2SiO3+H2SO4==Na2SO4+H2SiO3↓
[讲]所生成的硅酸逐渐聚合而形成胶体-硅酸溶胶,硅酸浓度较大时,则形成软而透明的、胶冻状的硅酸凝胶。
硅酸凝胶经干燥脱水就形成硅酸干胶,称为“硅胶”。
硅胶多孔,吸附水分能力强,常用做实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂,也可以用作催化剂的载体。
[讲]如果对硅酸加热,其可以分解生成SiO2
[板书]H2SiO3
H2O+SiO2
[活动与探究]硅酸是一种比碳酸还要弱的酸,请利用中学实验室常见的仪器及药品,设计一个简单实验,证明硅酸的酸性比碳酸弱,并完成一份实验报告。
[分析]利用CO2溶于水产生H2CO3,而H2CO3的酸性比H2SiO3的酸性强,可以将CO2通入到Na2SiO3的溶液中。
[板书]Na2SiO3+CO2+H2O==Na2CO3+H2SiO3↓
[总结]本节课我们学习了一种重要的非金属元素硅的化合物SiO2和H2SiO3,了解了SiO2的重要性质及用途。
知道了晶莹透明的水晶、五彩斑斓的玛瑙与普通沙子的化学成分并没有什么两样。
知道了SiO2在当前信息时代、IT产业中的重要作用。
化学知识可以帮助我们认识,了解世界,我们也可以用学过的知识进行发明、创造,造福人类。
【板书设计】
第四章第一节无机非金属材料的主角—硅
(一)
一、二氧化硅和硅酸
1、二氧化硅(SiO2)
(1)存在
(2)用途
(3)物理性质:
熔点高,硬度大的固体、不溶于水,纯净的SiO2晶体无色透明
(4)结构:
空间网状结构
(5)化学性质:
稳定,不活泼
具有酸性氧化物的性质:
(不溶于水且不和水反应)
与强碱反应:
SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O
与碱性氧化物反应:
SiO2+CaO
CaSiO3
与HF的反应:
SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O
弱氧化性:
SiO2+2C
Si+2CO↑(工业上制粗硅)
与某些盐反应:
Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑
CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑(工业上制玻璃的主要反应)
二氧化碳
二氧化硅
类别
酸性氧化物
酸性氧化物
存在
空气
存在于岩石、沙子、硅石、石英、水晶、硅藻土中
化学式的意义
可表示CO2分子的组成
不能表示SiO2的分子组成,仅表示SiO2中硅原子和氧原子个数之比为1:
2
物理性质
气体,熔、沸点低,可溶于水,比空气重,不支持燃烧,不支持呼吸
灰黑色固体,坚硬,不溶于水,熔、沸点高
与水反应
CO2+H2O=H2CO3
不反应
与酸反应
不反应
除HF外不反应
4HF+SiO2=SiF4↑+2H2O
与盐反应
CO2+Na2CO3+H2O=2NaHCO3
SiO2+Na2CO3△CO2↑+Na2SiO3
与碱反应
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
与CaO反应
CO2+CaO高温CaCO3
SiO2+CaO高温CaSiO3
转化
Na2SiO3+2H2O+CO2====H4SiO4+Na2CO3
H4SiO4=====SiO2+2H2O
用途
饮料、制碱,做干粉灭火器
光导纤维、化学仪器、光学仪器、钟表部件、电子元件等
CO2
SiO2
物理性质
无色无味气体,熔沸点都很低,微溶于水,存在于空气中
灰黑色固体,熔沸点都很高,不溶于水,存在于岩石中,俗名硅石、石英、水晶,纤维、玻璃、硅藻土中都大量含有
化学性质
和碱性氧化物
CO2+CaO==CaCO3
SiO2+CaO
CaSiO3
和碱
CO2+2NaOH==Na2CO3+H2O
SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O
和酸
--------
SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O
和水
CO2+H2O===H2CO3
--------
2、硅酸(H2SiO3)
硅酸是一种弱酸,它不溶于水,不能使指示剂变色,是一种白色粉末状的固体。
Na2SiO3+2HCl==2NaCl+H2SiO3↓
Na2SiO3+H2SO4==Na2SO4+H2SiO3↓
Na2SiO3+CO2+H2O==Na2CO3+H2SiO3↓
H2SiO3
H2O+SiO2
[自我评价]
1、制造光导纤维的主要原料是()
A.晶体硅B.二氧化硅C.石墨D.硅酸钠
2、下列说法正确的是( )
A.SiO2溶于水显酸性
B.CO2通入水玻璃(硅酸钠的水溶液)可得硅酸
C.SiO2是酸性氧化物,它不溶于任何酸
D.SiO2晶体中不存在单个SiO2分子
3、下列物质中,不能用玻璃瓶来盛装的是()
A.烧碱溶液B.浓硫酸C.氢氟酸D.碳酸钠溶液
4、要除去SiO2中的CaO杂质,最适宜的试剂是()
A.纯碱溶液B.盐酸C.硫酸D.苛性钠溶液
5、加热熔融烧碱时应使用下列哪种坩埚()
A.石英坩埚B.普通玻璃坩埚C.铁坩埚D.陶瓷坩埚
6、CO2通入下列各溶液中,不可能产生沉淀的是()
A.石灰水B.饱和碳酸钠溶液
C.硅酸钠溶液D.氯化钙溶液
若最终产生沉淀的是(BC)
第二课时
知识与技能
1、了解硅酸盐、硅的主要性质
2、认识硅酸盐、硅等在生产、信息技术、材料科学等领域的应用
过程与方法通过硅与碳的比较学习,引导学生学会运用对比的方法来认识物质。
情感态度价值观
通过对硅酸盐材料及硅的用途学习,使学生了解新型无机非金属材料,培养学生热爱科学的情感。
重点硅、硅酸盐的丰富性和多样性
难点通过学习,掌握研究非金属元素单质及化合物的一般方法
[思考]SiO2与CO2在物理、化学性质方面有哪些相似性和不同之处
[投影回顾]
[回顾]上节课我们提到,用可溶性硅酸盐Na2SiO3来制备H2SiO3。
事实上,在自然界中,硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分,大多数硅酸盐是不溶于水的。
自然界中存在的各种天然硅酸盐矿物约占地壳总质量的5%。
[板书]二、硅酸盐(silicate)
1、定义:
硅酸盐是由硅、氧、金属所组成的化合物的总称。
[讲]硅酸盐结构复杂,一般不溶于水,性质很稳定。
最简单的硅酸盐是硅酸钠,下面我们主要研究一下硅酸钠的性质
[板书]2、硅酸钠
(1)物理性质:
白色固体,易溶于水,水溶液俗称水玻璃或泡花碱,是一种泡花碱
[投影实验]P77实验4-2、
放入蒸馏水
放入Na2SiO3饱和溶液
现象
当水分蒸发后燃烧
当水分蒸发后不易燃烧
结论
用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火
[板书]
(2)化学性质:
相对稳定,不能燃烧,不易被腐蚀,热稳定性强
[讲]硅酸盐的种类很多,结构复杂,为了方便记忆和计算,常用氧化物的形式表示硅酸盐的组成
[板书]3、表示方法:
原则:
金属氧化物(按金属活动性顺序)
方法:
找组成元素
写成氧化物的形式
原子个数比不变
检查有无遗漏
[投影]例、请用氧化物的形式表示下列硅酸盐的组成:
硅酸钠(Na2SiO3)————————————
镁橄榄石(Mg2SiO4)————————————
高岭土{Al2(Si2O5)(OH)4}————————————
[讲]硅酸盐材料具有很多优良的性能,为我们的生活、为人类的科技进步作出了很大的贡献。
受传统陶瓷某些特殊性能的启发,科技工作者在此基础上进行了一次又一次的创新,又研制出了许多种组成不同、性能更特殊的新型陶瓷。
请大家阅读教材P77上的科学视野。
[投影]传统硅酸盐材料:
(1)陶瓷:
如:
日用器皿、建筑饰材、卫生洁具等,都以黏土为原料经高温烧结而成。
(2)玻璃:
普通玻璃以纯碱、石灰石、石英为原料,经混合、粉碎,在玻璃窑中熔融制得。
(3)水泥:
以黏土和石灰石为主要原料,在水泥回转窑中煅烧,再加入适量石膏,研成细粉而得。
具有特殊功能的含硅物质:
(1)碳化硅(金刚砂)
(2)硅钢:
导磁性良好,用作变压器铁芯
(3)硅橡胶
(4)分子筛:
具有均匀微孔结构的铝硅酸盐
(5)生物陶瓷:
人造骨
阅读79页科学视野。
[过]虽然硅的化合物很多,随处可见,而且从远古时期人类就已经学会加工和使用陶瓷,但是硅的单质却到很晚—18世纪上半叶才制备出来。
硅看起来灰溜溜的,它自己及化合物的作用却大得很,大到高科技领域,小到我们的周围,到处都有Si及其化合物的踪影,当今电子工业的飞速发展,更与人们对Si的性质的认识息息相关,本节我们就来学习Si及其化合物的有关知识。
[板书]三、硅(silicon)单质
1、存在形态:
有晶体硅和无定形硅两种同素异形体
[投影]展示晶体Si和其结构模型
[板书]2、晶体结构:
正四面体形
[讲]晶体Si的结构类似于金刚石的正四面体型,因此物理性质与金刚石类似。
[板书]3、物理性质:
灰黑色具有金属光泽的固体、熔点高、硬度大、质脆、导电性介于导体和绝缘体之间,是好的半导体材料。
[讲]因为Si在元素周期表中位于金属与非金属分界线附近,因此硅有些性质与金属相似。
硅的化学性质不活泼,常温下硅的化学性质很稳定,除F2、HF和NaOH外,Si不跟其他物质起反应。
[板书]4、化学性质
(1)常温下的反应:
Si+2F2==SiF4
Si+4HF==SiF4↑+2H2↑
Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑
[讲]在高温下,Si能与O2等非金属单质发生反应
[板书]
(2)高温下的反应:
Si+O2
SiO2
Si+2Cl2
SiCl4
[讲]硅可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件,还可以制成太阳能电池,可制成有良好导磁性、耐酸性的合金。
半导体晶体管及芯片的出现,促进了信息技术革命。
请大家阅读教材P79-80上的内容,了解一下硅的用途。
[投影小结]
信息技术的关健材料——半导体、晶体管、芯片。
半导体性能——将太阳能转换为光能的重要材料——光电池
硅合金
[板书]5、硅的制备
(1)工业上制粗硅
SiO2+2C
Si+2CO↑
石英砂焦炭电炉中粗硅
(2)由粗硅制纯硅
Si+2Cl2
SiCl4SiCl4+2H2
Si+4HCl
[总结]本节课我们学习了硅酸盐的重要用途及性质,了解了硅酸钠的特性—耐火。
知道了Si单质的重要用途。
从结构上、从周期表的位置,进一步理解了Si的性质。
21世纪人类所面临的重大问题之一是能源危机。
而从书上我们了解到Si是具发展前景的新能源材料。
同学们,随着人类对Si及其化合物的认识越来越深刻,随着科学技术的不断发展,我们有理由相信Si及其化合物对人类作出更大的贡献,给人类带来更大的惊喜!
【板书设计】
二、硅酸盐(silicate)
1、定义:
硅酸盐是由硅、氧、金属所组成的化合物的总称。
2、硅酸钠
(1)物理性质:
白色固体,易溶于水,水溶液俗称水玻璃或泡花碱,是一种泡花碱
(2)化学性质:
相对稳定,不能燃烧,不易被腐蚀,热稳定性强
3、表示方法:
原则:
金属氧化物(按金属活动性顺序)
方法:
找组成元素
写成氧化物的形式
原子个数比不变
检查有无遗漏
三、硅(silicon)单质
1、存在形态:
有晶体硅和无定形硅两种同素异形体
2、晶体结构:
正四面体形
3、物理性质:
灰黑色具有金属光泽的固体、熔点高、硬度大、质脆、导电性介于导体和绝缘体之间,是好的半导体材料。
4、化学性质
(1)常温下的反应:
Si+2F2==SiF4Si+4HF==SiF4↑+2H2↑
Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑
(2)高温下的反应:
Si+O2
SiO2Si+2Cl2
SiCl4
5、硅的制备
(1)工业上制粗硅
SiO2+2C
Si+2CO↑
石英砂焦炭电炉中粗硅
(2)由粗硅制纯硅
Si+2Cl2
SiCl4SiCl4+2H2
Si+4HCl
[自我评价]
1、下列关于硅的说法不正确的是(C)
A、硅是非金属元素,它的单质是灰黑色,有金属光泽的固体
B、硅的导电性能介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料。
C、硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质反应
D、加热到一定温度时,硅能与氧气、氯气等非金属反应
2、下列关于碳和硅的叙述中,不正确的是(AD)
A、氧化物都能与氢氧化钠溶液反应
B、单质在加热时都能跟氧气反应
C、氧化物溶于水都生成相应的酸
D、碳和硅两种元素都有同素异型体
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