【教学设计】《无机非金属材料的主角-硅》（人教）.docx

无机非金属材料的主角-硅蚌埠二中 蒋蓓蓓 教材分析本节介绍了重要的无机非金属材料硅及其化合物，安排在必修课程模块化学1第三章“金属及其化合物”之后，第四章“非金属及其化合物”之首，是常见无机物及其性质等知识的继续；同时，也为学生学习选修模块2“化学与技术”中的主题2“化学与材料的制造、应用”奠定了知识基础。本节介绍了重要的无机非金属材料硅及其化合物，安排在必修课程模块化学1第三章“金属及其化合物”之后，第四章“非金属及其化合物”之首，是常见无机物及其性质等知识的继续；同时，也为学生学习选修模块2“化学与技术”中的主题2“化学与材料的制造、应用”奠定了知识基础。 教学目标【知识与能力目标】1、掌握硅、二氧化硅和硅酸盐的存在、结构特点和性质；2、了解硅在无机非金属材料中的生产和应用；3、能通过互联网查阅有关资料并作归纳概述。【过程与方法目标】1、构建“结构性质用途”的知识体系；进一步掌握学习元素及其化合物的一般方法，提高自主学习能力；2、提高信息获取的能力，信息分析、信息加工和信息交流等能力；3、逐渐以一种自然的方式对待信息技术，把信息技术作为获取信息、探索问题、协作解决问题的认知工具。【情感态度价值观目标】1、体会硅在无机非金属材料中扮演的重要角色，增强将化学知识应用于生产、生活和科学技术的意识，赞赏化学科学对信息技术和社会发展的贡献；2、主动、有目的地发现信息探究知识，提高参与化学科技活动的热情；3、培养学生的“信息素养”。 教学重难点【教学重点】1、单质硅的性质；2、二氧化硅、硅酸、硅酸盐的性质；3、传统的无机非金属材料。【教学难点】1、硅酸盐的丰富性和多样性；2、硅在无机非金属材料中的广泛应用。 课前准备 有关单质硅和含硅化合物应用的图片；水中花园视频，硅酸盐性质视频等。 课时安排2课时 教学过程第一课时【导入】介绍美国新兴的高科技产业开发区，电子技术研究中心和计算机和半导体工业生产的重要基地硅谷。由硅带来的人类文明，及其在信息材料的开发中起着举足轻重的作用，激发学生对有关硅的知识的兴趣，从而引入新课。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。【学生活动】查看元素周期表找出硅在周期表中的位置。根据“结构决定性质”分析单质硅的性质。硅原子最外层有4个电子，硅和碳位于同一主族，化学性质相似。 【教师总结】结论：硅与碳结构相似，在反应中，硅既不容易失去电子，也不容易得到电子，主要形成四价的共价化合物。 硅在自然界中主要以二氧化硅及硅酸盐的形式存在，最常见的沙子中，就含有硅的氧化物。【教师讲解】硅在常温下，化学性质稳定，不容易发生化学反应。在常温下，Si 能发生的化学反应有且仅有三个： Si+2F2=SiF4 ； Si+4HF=SiF4+2H2 Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2在高温下，单质硅发生的反应较多，如Si+O2SiO2。【学生活动】分析地壳中硅元素的含量。Si在地壳中含量丰富，仅次于O，约占26.3 【教师讲解】Si是一种亲氧元素，在自然界中无游离态。 但是我们知道单晶硅是重要的半导体材料，所以人类获得单质硅必须依靠化学方法，我们来学习单质硅的制备。单质硅的制备主要分为两步：第一步制粗硅；第二步硅的精制。涉及的化学方程式如下：第一步：制粗硅：SiO2+2C高温Si(粗硅)+2CO；第二步：Si+2Cl2SiCl4；SiCl4+2H2Si(精硅)+4HCl。【过渡】展示二氧化硅结的结构。【学生活动】SiO2是硅的最重要的化合物，其存在形式有结晶形和无定形两大类，统称硅石。石英晶体是结晶的二氧化硅，其中无色透明的晶体叫水晶，具有彩色环带状或层状的称为玛瑙。沙子中含有小粒的石英晶体。SiO2晶体有多种晶型，该结构具有四面体结构，每个Si周围有4个O，而每个O跟2个Si相结合，所以SiO2是由Si和O按原子个数比为12所组成的立体网状结构的晶体。【教师总结】二氧化硅在自然界中的存在很广泛，人类关于二氧化硅的应用也很多。） 如光导纤维、光学仪器、电子仪器、工艺品（水晶、玛瑙）、石英玻璃、玻璃原料和建筑材料等。【图片展示】二氧化硅在自然界中的不同存在形式、二氧化硅的应用。【教师讲解】 SiO2的物理性质：硬度大、熔点高、不溶于水。SiO2的化学性质，我们将从三个角度学习SiO2的化学性质。酸性角度，SiO2是酸性氧化物，可与碱或碱性氧化物反应；化合价角度, SiO2中Si处于最高价，SiO2具有氧化性；特性：与HF反应 。【学生活动】写出SiO2与碱或碱性氧化物反应的方程式：SiO2+CaO高温CaSiO3+H2O；SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 。【教师讲解】Na2SiO3的水溶液俗称:“水玻璃”，水玻璃具有粘接性，可做胶水。【提问】为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶要用橡皮塞而不能用玻璃塞？【学生活动】玻璃中含有SiO2，会与碱溶液反应，产生具有粘合性的硅酸钠。【学生活动】写出SiO2体现氧化性的化学方程式：SiO2+2C高温Si(粗硅)+2CO【教师讲解】SiO2特性：SiO2与HF反应。SiO2+4HF=SiF4+2H2O，人们可以利用该反应雕刻玻璃。【提问】实验室中盛放HF溶液的试剂瓶能用玻璃瓶和玻璃塞吗?【学生活动】玻璃中含有SiO2，会与HF溶液反应，所以HF会腐蚀玻璃。【观看图片】实验室中盛放HF溶液的试剂瓶用塑料瓶和塑料塞。【课堂小结】硅单质和二氧化硅的性质：Si+2F2=SiF4 ；Si+4HF=SiF4+2H2；Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2；Si+O2SiO2；Si+2Cl2SiCl4；SiO2+CaO高温CaSiO3+H2O；SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O；SiO2+2C高温Si(粗硅)+2CO；SiO2+4HF=SiF4 +2H2O。硅单质和二氧化硅的用途：单质硅是目前使用量最大的半导体材料，二氧化硅可做光导纤维等。第二课时【导入】硅酸（H2SiO3）能通过二氧化硅与水反应制得吗？为什么？【学生活动】不能，H2SiO3不溶于水，所以硅酸只能通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得。【过渡】那么实验室如何获得硅酸呢？硅酸又具有那些性质？利用硅酸的性质可以有那些用途？下面我们一起来学习。【教师讲解】硅酸不能有SiO2与H2O反应获得，但SiO2却是硅酸的酸酐(酸性氧化物)，SiO2既是硅酸(H2SiO3)的酸酐，又是原硅酸(H4SiO4)的酸酐；H2SiO3是不溶于水的酸，硅酸是一种比碳酸还要弱的酸；硅酸不稳定，易受热分解，H2SiO3 H2O+SiO2 。【提问】如何设计实验证明硅酸的酸性弱于碳酸，并写出化学方程式。【学生活动】向NaSiO3的水溶液中通入CO2，利用强酸制弱酸的性质证明硅酸的酸性弱于碳酸。2Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3。【提问】实验室如何制备硅酸，并写出化学方程式。【学生活动】向NaSiO3的水溶液中通入CO2或者向NaSiO3的水溶液中加盐酸，用强酸制弱酸的性质制备硅酸。2Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3 或Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3。【演示实验】硅酸凝胶的制备。【观察现象】在饱和Na2SiO3溶液中，滴加酚酞溶液呈红色。逐滴加入稀盐酸，有透明的凝胶产生，溶液红色逐渐变浅最后完全褪色。【教师讲解】硅酸是一种很弱的酸，其酸性比碳酸还弱，溶解度很小。硅酸容易聚合形成硅酸溶胶,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”。硅胶常用于作食品等的干燥剂,也可用作催化剂的载体。【过渡】通过水玻璃、硅橡胶、玻璃、陶瓷、水泥等物质中硅的存在形式引入硅酸盐。【教师讲解】硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称，分布极广。硅酸盐一般都不溶于水，化学性质很稳定。最简单的硅酸盐是硅酸钠，可溶于水，其水溶液俗称水玻璃。可用作肥皂的填料、木材防火剂和黏胶剂。【过渡】硅酸盐的种类很多，在自然界中的分布也很广。有的硅酸盐的组成复杂，对于复杂的硅酸盐的组成，可以用氧化物的表示方法来表达。【教师讲解】如硅酸钠Na2SiO3的氧化物表示方法可以表达为Na2O SiO2；硅酸钙CaSiO3的氧化物表示方法可以表达为CaO SiO2。【教师总结】硅酸盐由于组成复杂，常用氧化物形式来表示。氧化物的顺序一般是：按金属活泼顺序的氧化物二氧化硅水氧化物前系数配平原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。注意事项：氧化物之间以“”隔开。系数配置出现分数时应化为整数。例如：正长石KAlSi3O8不能写成1/2K2O1/2Al2O33SiO2，应写成K2O Al2O36SiO2。【练习】练习以下硅酸盐的氧化物表示方法。橄榄石：Mg2SiO4 ；高岭石：Al2Si2O5(OH)4；钾长石：KAlSi3O8【提问】怎样理解硅酸盐写成氧化物形式？【学生活动】由于硅酸盐的组成与结构很复杂，为了简化对硅酸盐组成的表示方法，采用了氧化物法。实际上硅酸盐不是以简单的氧化物形式存在，而是以种种结构复杂的盐的形式存在的。【教师总结】虽然硅酸盐用氧化物的表示法表示，但不能认为硅酸盐就是氧化物。【图片展示】应用广泛的硅酸盐产品。【教师讲解】由于Al与Si在元素周期表位置相邻、离子大小相近，Al3+常或多或少地置换硅酸盐中的Si4+而形成铝硅酸盐。为了保持电中性，会伴随引入其他正离子，从而大大增加了硅酸盐的丰富性和复杂性。硅酸盐岩石长期在水的侵蚀下，风化为黏土，并且形成土壤胶体（硅酸盐与硅酸相似，有形成胶体的性质）。土壤胶体因其表面积巨大且一般带负电，能吸收NH4+、K+等数十种生物所需的营养离子，所以土壤具有保肥能力。现在出土的各种陶瓷制品、雄伟古建筑上留下的陶瓷砖瓦以及英文“中国”一词又指“瓷器”，等等，所有这些都反映了在西方人眼中中国作为“陶瓷故乡”的形象。【学生活动】了解用途广泛的硅酸盐材料。1无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料。传统无机非金属材料：陶瓷、玻璃、水泥。新型无机非金属材料：新型陶瓷：高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶；具有特殊功能的含硅物质：炭化硅、硅钢、人工合成硅橡胶和分子筛。【教师讲解】三大传统的硅酸盐材料是玻璃、水泥和陶瓷。他们原料。制备和性质如下表：名称玻璃水泥陶瓷原料纯碱、石灰石、石英粘土、石灰石粘土反应原理CaCO3+SiO2高温CaSiO3+CO2 NaCO3+SiO2高温Na2SiO3+CO2高温下发生复杂的物理、化学变化烧结时发生复杂物理、化学变化主要成分SiO2、CaSiO3、Na2SiO3硅酸盐硅酸盐特性非晶体，透明、无固定熔点，可在一定温度范围内软化水硬性抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘【图片展示】部分新型无机非金属材料。【教师讲解】新型无机非金属材料。材料传统新型种类普通水泥普通玻璃粘土质陶瓷高温结构陶瓷生物陶瓷压电陶瓷光导纤维特性耐腐蚀、耐高温质脆、经不起热冲击 耐高温、高强度具有电学特征具有光学特性具有生物功能【知识拓展】氧化铝（ Al