Chapter 7 硅和硅酸盐工业

1、Chapter 7 硅和硅酸盐工业§7-1碳族元素江苏省如皋市金城高级中学 吴 健教学目标1.使学生了解碳族元素的性质及其规律2.使学生进一步了解运用元素周期律知识学习同族元素性质及其递变规律的方法，并运用这些知识学习碳族元素及其化合物的知识。3.培养学生的总结、思考、判断能力。教学重点 碳族元素递变规律，硅和二氧化硅的化学性质教学难点 以碳族元素知识为载体，培养学生归纳、运用、迁移知识的能力。课时安排 2课时教学方法 引导、探究、自学、对比、练习教具准备 投影仪 炭块、有划痕的罐头瓶盖、镊子、两条干燥的布条或线绳(其中一条在硅酸钠溶液中预先浸过)、酒精灯、火柴第一课时引言请大家看课

2、本彩图中的硅单质照片。并展示晶体硅（半导体收音机中有）导入新课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。大到高科技领域，小到我们的周围，到处都有硅及其化合物的踪影。当今电子工业的飞速发展，更是与人们对硅的性质的认识息息相关。本章，我们就来学习硅及硅酸盐工业，同时了解几种新型无机非金属材料。板书第七章 硅和硅酸盐工业师(用镊子取一块炭展示给学生)它和硅是兄弟关系，它就是我们初中学过的炭！请大家写出碳和硅的原子结构示意图，并说明它们的异同。学生活动后回答碳和硅的原子序数不同，电子层数不同，但最外层电子数相同。提问说出它们在周期表中的位置。（碳位于第二周期第A族，硅位于第三周期第A族。

3、）小结也即它们在元素周期表中的关系是不同周期、同主族。泛问那么，与碳、硅同主族的四、五、六周期的元素的原子序数分别是多少呢？请大家根据各周期元素的种类数进行推断。学生推测后回答它们的原子序数分别是：32 50 82。师很正确。查一下元素周期表，默写它们的元素符号，并叫出它们的名称。生它们分别是锗、锡、铅。问把它们编制在同一主族的依据是什么？生因为它们的最外层电子数都是4。师很好。由于硅、锗、锡、铅都位于周期表的第A族，且它们都和碳一样，最外层有4个电子。因此，我们把它们统称为碳族元素。板书第一节 碳族元素一、碳族元素 碳 硅 锗 锡 铅C SiGe Sn Pb过渡本节课我们先来认识一下碳族元素

4、，然后在此基础上学习硅及其化合物的知识。问大家能否根据碳族元素的汉字名称推测出它们哪些是金属，哪些是非金属呢？生碳、硅为非金属，锗、锡、铅为金属。师(展示罐头瓶盖)大家看，该瓶盖的里面是铁，外面所镀的这一薄层金属，就是锡。它起保护内层金属的作用，因为它在常温下不与空气中的氧气作用。第A族元素中，碳是典型的非金属；硅虽外貌像金属，但在化学反应中多显示非金属性，通常被认为是非金属；锗的金属性比非金属性强；锡和铅都是金属。这说明大家的推测是正确的。由于硅和锗在元素周期表中位于金属和非金属分界线附近，所以常用来做半导体材料。问碳族元素的原子结构有什么异同？生原子序数和电子层数不同，最外层电子数相同。板

5、书1.结构特点：原子序数和电子层数不同 最外层电子数相同师碳族元素结构上的这种异同，也导致了它们性质的异同。请大家根据所学元素周期律的知识，填写下表。投影展示碳族元素性质的递变规律元素符号CSiGeSnPb原子序数原子半径的变化趋势金属性与非金属性的变化趋势最高正价最高价氧化物化学式最高价氧化物的水化物的化学式及酸碱性强弱氢化物的化学式及稳定性强弱上表可由学生回答，教师填写完成师注意，碳族元素的氢化物的写法是碳族元素在前，氢元素在后。答案614325082 逐 渐 增 加非金属性减弱、金属性增强+4+4+4+4+4CO2SiO2GeO2SnO2PbO2H2CO3H2SiO3Ge(OH)4Sn(

6、OH)4Pb(OH)4酸性减弱、碱性增强CH4SiH4稳 定 性 减 弱师从上表可以看出，碳族元素随着核电荷数的递增，其性质呈现规律性的变化。板书2.性质递变规律师它们在周期表中从上到下，元素的原子半径逐渐增大，失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱，非金属性向金属性递变的趋势很明显。但由于碳族元素处于容易失去电子的碱金属与容易得到电子的卤素的中间位置，这决定了它们得失电子的能力都较弱，一般容易形成共价化合物。板书(1)非金属性向金属性递变的趋势明显，易形成共价化合物。师碳族元素的化合价除了+4价外，还有+2价。其中，碳、硅、锗、锡的+4价化合物是稳定的，而铅的+2价化合物是稳定的。因此，+4

7、价的铅(如PbO2)在参加化学反应时，往往会得电子而被还原成+2价的化合物，它本身是强氧化剂。板书(2)主要化合价+4、+2 Pb的+2价稳定投影例题1.如果发现114号新元素(位于第七周期A族)，下列有关X可能具有的性质合理的是A.X是非金属元素 B.X的+2价化合物比+4价化合物稳定C.XO2具有强氧化性 D.X有稳定的氢化物解析：根据碳族元素性质递变规律，可推知114号元素的金属性比铅还强，一定是金属元素。它的稳定价态应与铅相同，即为+2价，所以XO比XO2稳定。+4价的X易得电子变成+2价，所以XO2具有强氧化性。X是金属元素，不可能存在稳定的气态氢化物。答案：BC2.课本上说“碳、硅

8、、锗、锡的+4价化合物是稳定的，而铅的+2价化合物是稳定的。”(1)根据上一句话判断：锡的+2价化合物(如SnCl2)应具有较强的 性，铅的+4价化合物应具有较强的 性。(2)Fe3O4可以写成FeO·Fe2O3的形式，根据化合价规律和这种书写方法，若将Pb3O4用上述形式表示，其化学式可写为 。(3)PbO2与浓盐酸可发生氧化还原反应生成Cl2，该反应的化学方程式为 。解析：(1)关键要理解锡的+4价化合物是稳定的，因而+2价化合价不稳定，容易转变为+4价化合物，而显示较强的还原性；同理，铅的+4价化合物具有较强的氧化性。(2)铅的两种常见化合价中，+2价稳定，+4价不稳定，易得电

9、子被还原。题中信息表明，Fe3O4中有+2、+3两种价态的铁元素。思维迁移到Pb3O4中铅的化合价+2价和+4价。仿照上述形式的写法，将Pb3O4写成2PbO·PbO2，此化合物中正负化合价的代数和为零。(3)PbO2与浓盐酸反应，已知浓盐酸的氧化产物是Cl2，则PbO2的还原产物必然是+2价的化合物，这里应是PbCl2，另有H2O生成。(注：此处也可将MnO2与浓盐酸的反应迁移，即可写出PbO2与浓盐酸反应的化学方程式) 答案：(1)还原、氧化 (2)2PbO·PbO2(3)PbO2+4HCl PbCl2+Cl2+2H2O师下面，我们可通过下表来认识一下碳族元素单质的物理

10、性质。板书3.单质的物理性质投影展示碳族元素及其单质的一些重要性质元素名称元素符号原子半径主要化合价单 质 的 性 质颜色、状态密度熔点沸点nmg·cm-3碳C0.077+2,+4金刚石：无色固体石墨：灰黑色固体3.512.25355036523697(升华)48274827硅Si0.117+2,+4晶体硅：灰黑色固体2.322.3414102355锗Ge0.122+2,+4银灰色固体5.35937.42830锡Sn0.141+2,+4银白色固体7.28231.92260铅Pb0.175+2,+4蓝白色固体11.34327.51740师从上表可看出，实验测出的碳族元素原子半径的递变规

11、律与我们根据原子核外电子排布预测的是一致的。碳族元素单质的密度是从碳到铅逐渐增大，熔、沸点逐渐降低，锡的熔、沸点较特殊，这与其成键情况及空间结构有关系。问碳元素形成的单质，在表上列出了金刚石和石墨两种，它们与碳元素的关系是什么？生它们都是碳元素的同素异形体。师对。不过，碳元素的同素异形体不止两种，还有C60、C70等等。请同学们阅读课本P148“C60及其应用前景”学生阅读板书4.C60简介师从阅读材料里我们可以看出，碳元素除了金刚石和石墨外，还有多种同素异形体，在已发现的碳族成员如C50、C60、C70、C84中C60是最稳定的。C60可以形成各种化合物，可用作高温润滑剂、耐热和防火材料等。

12、目前，将C60应用于超导体、材料科学等领域的探索正在不断地深入。C60分子的结构是足球状的，是由20个正六边形和12个正五边形呈一定弧度一个接一个地排列成的一个球体分子。它的结构是由英国科学家克罗托教授最先设想出来的。在他为了这个大大的“碳分子”的结构而冥思苦想、食不知味、睡不入眠的时候，是著名建筑学家布克曼斯特·富勒设计的一个球形模型给了他灵感。所以，他又把自己设计的这种新的碳分子的结构，称为“富勒笼球”。C60及一系列碳族分子的发现，是化学发展史上一件具有划时代意义的大事。为了表彰这一重大科学成就，1996年的诺贝尔化学奖授给了克罗托和另外两位对C60的发现作出贡献的科学家美国赖

13、斯大学的化学教授柯尔和斯莫利。投影练习1.下列气态氢化物中最不稳定的是A.CH4 B.NH3 C.SiH4 D.H2S答案：C2.下列关于碳族元素的叙述正确的是A.单质都是无色晶体B.随着原子序数的增加，单质的熔点逐渐升高C.由碳到铅，A族元素最高氧化物对应的水化物酸性逐渐增强D.除铅以外其他元素的+4价化合物是稳定的答案：D3.近年来，科学家发现一种新分子，它具有空心的类似足球状结构，化学式为C60，下列说法正确的是A.C60是一种新型化合物B.C60和石墨都是碳的同素异形体C.C60在纯氧中充分燃烧只生成惟一产物CO2D.C60的摩尔质量为720答案：BC小结本节课我们学习了碳族元素的结构

14、特点及随着原子序数的递增，其性质递变的规律，同时还认识了碳元素的另一种同素异形体C60。布置作业 1.复习初中所学碳及其化合物的知识。2.预习硅及其化合物的知识。3.课本习题一1、2。参考练习1.某A族元素的气态氢化物含氢12.5%，该元素的相对原子质量是A.12 B.14 C.28 D.72.6答案：C2.下列说法中不正确的是A.硅和锗都是重要的半导体材料 B.硅酸的酸性比碳酸还要弱C.SiH4的稳定性比PH3的差 D.CH4稳定性比NH3强答案：D3.某些保健品中含有的锗(Ge)元素，位于周期表中的第四周期第A族。有关锗的叙述正确的是A.锗的原子序数为34 B.锗的金属性比锡强C.Ge可形

15、成Na2GeO3的盐 D.单质锗是半导体材料答案：CD教学后记 1、第二课时引言上节课我们系统地介绍了碳族元素的结构特点及性质递变规律，本节课我们重点来学习碳族元素中的硅及其化合物的有关知识。板书二、硅及其化合物过渡首先，我们来认识一下元素含量居于自然界第二的硅单质的性质。板书1.硅(Si)师请大家阅读课本P149的第一、二自然段，总结出硅的存在形态、结构特点、物质性质等方面的内容。学生阅读问硅元素以什么形态存在于自然界？硅元素主要存在于什么物质里？生硅以化合态存在于自然界，硅元素主要存在于地壳的各种矿物和岩石里。问硅有几种同素异形体？分别是什么？生硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体。问为什么

16、晶体硅的熔沸点高、硬度大？生因为它的结构类似于金刚石。问硅的导电性怎样？生介于金属与非金属之间，是半导体。师很好。以上内容我们可总结如下：板书以化合态存在于自然界，有两种同素异形体。(1)物理性质：熔、沸点高，硬度大，半导体。过渡那么，硅单质的化学性质怎么样呢？板书(2)化学性质师请大家写出硅原子的结构简图，并与碳原子的结构示意图相比较。板书师请大家说出碳原子与硅原子结构的异同点。生它们的原子序数不同，电子层数不同，最外层电子数相同。问这说明碳单质和硅单质的化学性质是怎样一种关系？从结构说明。生元素的化学性质主要决定于其最外层电子数。它们的最外层电子数相同，化学性质应该相似；它们的电子层数不同

17、，说明它们在发生化学反应时的成键能力也不相同，而化学活动性有差异。师很正确。那么，根据初中所学知识回答，碳单质的化学性质怎样？生碳单质在常温下性质稳定，高温时可与氧气等活泼非金属反应。在化学反应中常做还原剂。师回答得很好。那么，硅的性质是否也如此呢？请大家阅读课本P149第四自然段进行总结。学生阅读后回答常温下，硅的化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其他物质，如氧气、氯气、硝酸、硫酸等起反应。加热时，能跟一些非金属反应，如它也能和氧气反应生成二氧化硅。师对。我们可把上述硅单质的化学性质归纳如下：讲解并板书常温下性质稳定Si+2F2 = SiF4 Si+4HF = SiF4+2H2S

18、i+2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2 Si+O2 SiO2师除此以外，硅在高温时还可分别与碳及氮气反应生成熔沸点很高、硬度很大的金刚砂碳化硅(SiC)及氮化硅(Si3N4)。过渡硅的这些性质决定了硅有什么样的用途呢？请大家阅读课本P149第五自然段回答。板书(3)硅的用途学生阅读后回答可以用来制集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池，还可以用来制造变压器铁芯，及耐酸设备等。师回答得很好。不过，大家需要知道的是，电子工业上所用的硅，都是纯度很高的硅，而由我们刚才所学知识知道，自然界没有单质硅存在。那么，我们怎样制取硅呢？请大家看课本后回答。板书(4)硅的制法学生看书后回答我们使用的

19、硅，都是从硅的化合物中提取的。工业上用碳和二氧化硅在高温下反应制取硅。板书SiO2+2C Si+2CO(工业制法)师注意！上述反应中的产物是一氧化碳，而不是二氧化碳。另外，通过上述反应所制得的硅只是粗硅，用做半导体材料时，还需将其提纯。过渡下面，我们来介绍一下硅的最高价氧化物二氧化硅的性质。板书2.二氧化硅(SiO2)问二氧化硅与二氧化碳都是第A族元素形成的最高价氧化物，它们的性质是否相同呢？请大家回忆我们初中学过的二氧化碳的性质，并从物理性质和化学性质两方面回答。生二氧化碳的物理性质是：常温常压下是无色无味的气体，能溶于水，密度比空气大。化学性质是：本身不燃烧，一般情况下也不支持燃烧，能与水

20、反应生成碳酸，能与碱反应，是酸性氧化物。师大家回答得很流利。请问，有没有固体的二氧化碳？生有！固体的二氧化碳叫干冰。师干冰可以用来人工降雨，为什么？生因为干冰有易升华的性质。师那么，二氧化硅有没有呢？请大家看课本有关内容，比较二氧化碳与二氧化硅的物理性质。板书(1)物理性质学生看书后回答二氧化硅与二氧化碳的物理性质差别很大，它是一种坚硬难熔的固体，不溶于水。板书坚硬难溶的固体，不溶于水。过渡二氧化硅的化学性质与二氧化碳相比，是不是也有这么大的差异呢？请大家阅读课本有关内容，并填写下表。板书(2)化学性质投影展示SiO2与CO2化学性质的比较物 质二氧化硅(SiO2)二氧化碳(CO2)与水反应与

21、酸反应与碱反应与碱性氧化物反应与碳反应找一个同学把答案填写在胶片上，不足部分由教师和学生共同补充师从上表可以看出，二氧化硅能与碱反应生成相应的盐和水，是一种酸性氧化物，它不能溶于水得到相应的酸硅酸。酸性氧化物一般不与酸发生化学反应，而二氧化硅却能与氢氟酸发生反应，这也是工业上用氢氟酸雕刻玻璃的反应原理。以上两点，属二氧化硅的特性。由此，我们可总结出二氧化硅的主要化学性质为：讲解并板书不溶于水的酸性氧化物，能与氢氟酸反应注：上表答案如下不 反 应CO2+H2O H2CO3SiO2+4HF = SiF4+2H2O不 反 应SiO2+2NaOH = Na2SiO3+H2OCO2+2NaOH = Na

22、2CO3+H2OCO2+NaOH = NaHCO3SiO2+CaO CaSiO3CO2+Na2O = Na2CO3SiO2+2C Si+2COCO2+C 2CO问已知玻璃中含有SiO2，回答为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？生因为SiO2是酸性氧化物，能和碱起反应，容易使瓶塞和瓶颈粘在一起而不能打开。师很正确。过渡二氧化硅广泛存在于自然界中，与其他矿物共同构成了岩石，天然二氧化硅也叫硅石。砂子的主要成分就是二氧化硅，石英的主要成分也是二氧化硅，水晶是纯度较高的二氧化硅。请大家看课本有关内容，了解它们的用途。并总结出来。板书(3)用途学生看书后回答二氧化硅可用来做光导纤维；石英

23、可用来做石英钟、石英表，耐高温的石英玻璃；水晶可以用来制造电子工业中的重要部件、光学仪器、工艺品、眼镜片等，含有有色杂质的石英，还可用于制造精密仪器轴承，耐磨器皿和装饰品等。师大家回答得很全面。师确实，二氧化硅在日常生活、生产和科研等方面有着重要的用途，但有时也会对人体造成危害，使人患硅肺病，请大家阅读课本P151“二氧化硅粉尘的危害”的内容。学生阅读后师希望大家努力学习，并能在将来发明和创造一些新的技术，新的设备以控制空气中粉尘的含量，从而为人类的健康和生存环境做出贡献。过渡刚才我们提到二氧化硅不能溶于水得到相应的酸硅酸。那么，硅酸是怎样的一种酸？它怎样制得呢？下面我们就来学习这个问题。板书

24、3.硅酸(H2SiO3)师从上一节我们比较同主族元素的性质知道，硅酸是一种比碳酸还要弱的酸，它不溶于水，不能使指示剂变色，是一种白色粉末状的固体。板书不溶于水，酸性比碳酸弱。师硅酸可通过可溶性硅酸盐与酸反应得到，如：讲解并板书 Na2SiO3+2HCl+H2O = H4SiO4+2NaClNa2SiO3+CO2+2H2O = H4SiO4+Na2CO3讲解生成的H4SiO4叫原硅酸，是一种白色胶状物质，不溶于水，在干燥的空气中易失水变成硅酸。板书 H4SiO4=H2SiO3+H2O过渡刚才我们提到的硅酸钠，是一种可溶性的硅酸盐，而其他硅酸盐多数是不溶于水的。硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，自然界中存在的各种天然硅酸盐矿物，约占地壳质量的5%。板书4.硅酸盐师请大家看以下实验演示实验取两根一样的干燥布条(其中一根在硅酸钠溶液中浸过)在火焰上燃烧。问两根布条燃烧的情况一样吗？现象有何不同？生不一样。一根很容易燃烧，一根不燃。师是什么原因造成了这样的差别呢？答案在这里！板书硅酸钠(Na2SiO3)讲解不燃的布条是由于我预先在硅酸钠溶液中浸泡并晒干的。这也是硅酸钠的用途之一。硅酸钠的水溶液俗名“水玻璃”，其用途很广，建筑工业及造纸工业用它做粘合剂。木材或织物用水玻璃浸泡过后既防腐又不易着火。浸