无机非金属材料的主角硅教案.docx

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无机非金属材料的主角硅教案

第四章第一节无机非金属材料的主角——硅

课题：

第四章第一节

无机非金属材料的主角------硅

（一）

授课班级

课时

1课时

教

学

目

的

知识

与

技能

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

3、认识物之间既有相似性，又有各自的特性

过程

与

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。

情感

态度

价值观

通过了解材料发展的历史与前景，使学生认识化学在材料科学中的重要地位，体会化学的创造性和实用性，激发对化学科学的兴趣。

重点

二氧化硅的性质（尤其是作为酸性氧化物的性质）和硅酸的性质

难点

培养学生对知识的归纳、总结和探究的能力

知

识

结

构

与

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

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

教学过程

教学步骤、内容

教学方法、手段、师生活动

［引入］我们生成的地球，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.

别看它看起来灰溜溜，它自己及它的化合物的作用却是大得很。

例：

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%。

［投影］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的原子结构简图，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，主要存在与地壳的各种矿物和岩石里，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）

（1）存在

［讲］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在工业上用途也非学广泛，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的性质上有着这么大的差别呢？

［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］[SiO4]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。

［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得的酸呢？

［板书］2、硅酸（H2SiO3）

［讲］H2SiO3是一种比H2CO3还要弱的酸，它不溶于水，不能使指示剂褪色，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，那么要如何制备硅酸呢？

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。

配以多媒体图片

从感性上让学生接触要学习的内容，激起学生学习的兴趣。

联系生活，激发求知欲。

图片呈现，直观、深刻，加深认识。

抽象思维，初步建立SiO2空间立体结构。

通过视频呈现，使学生对SiO2的结构的理解更深刻。

提高学生信息处理能力，

提高学生科学精神

课题：

第四章第一节

无机非金属材料的主角------硅

（二）

授课班级

课时

教

学

目

的

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

知

识

结

构

与

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（较活泼------较不活泼）

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

教学过程

教学步骤、内容

教学方法、手段、师生活动

［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］

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+CO2

CaSiO3

和碱

CO2+2NaOH==Na2CO3+H2O

SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O

和酸

--------

SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O

和水

CO2+H2O===H2CO3

--------

［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（较活泼------较不活泼）

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：

日用器皿、建筑饰材、卫生洁具

（2）玻璃：

（3）水泥：

以黏土和石灰石为主要原料

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

［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。

硅别看起来灰溜溜的，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，更是人们对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和晶体Si的结构模型

［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在元素周期表中的位置仅次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

SiCl4

SiCl4+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!