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硅及其重要的化合物

时间:2021-01-23 14:01:59 高一化学教案 我要投稿

硅及其重要的化合物

教学目标

                   知识技能:在学习碳族元素知识的基础上,进一步认识硅的晶体结构、性质和用途。

                   能力培养:通过联系碳的已学知识来学习硅的新知识,有助于培养学生对新旧知识进行归纳比较的逻辑思维能力;通过金刚石的结构,培养学生的空间想像能力。

                   科学思想:通过定量和定性分析,认训晶体类型与晶体主要物理性质的关系。进一步渗透结构决定性质的观点。

                   科学品质:在学生从书本和课堂汲取知识的同时,介绍我国古仿科学家的重大发明和当代国内外的新技术、新成果。在大量的直观感性材料的陪衬下,使化学学习不再使人感到枯燥乏味而是生动有趣;为学生构架一座从书本知识到现代科技知识和生活实际的桥梁。有助于学生开阔眼界,提高科技文化素养。理解更多的现代相关科学理论与技术。

                   科学方法:通过对硅晶体样品、金刚石球棍模型、硅晶体常温超真空扫描隧道显微镜图像的观察,进行“观察方法”这一自然科学方法的指导。

重点难点

                   理解掌握晶体微粒种类及其相互间作用力与晶体类型关系;晶体类型与晶体主要物理性质的关系;掌握理论知识指导学习硅元素性质知识的方法;培养空间想像能力,会把平面图想像成空间结构,又能把空产结构表示在平面图上。

教学过程

 

教    师    活    动

学    生    活    动

引言

 

 

 

 

 

展示

讲述

 

 

 

 

 

展示

中国誉称“瓷国”。陶瓷是我中华民族一项最伟大的创造,具有悠久而辉煌的历史。原始陶器大约是1万年前出现在中国。“陶”作为历史上第一种人造材料成为人类摆脱蒙昧的时代标志,秦兵马俑的制造展示了当时制陶规模和高超的动手术与艺术水平。

秦兵马俑图片或录像。

瓷器在东汉晚期发明,到宁朝形成了举世闻名的“柴”、“汝”、“哥”、“钧”、“定”、“官”几大名窑,其制品工艺之精湛达到“青如天”、“薄如纸”、“声如磬”的水平。而陶瓷主要含硅元素。

古陶器的图片或录像。

观看兵马俑图片或古瓷器图片、录像等。

设问

 

展示

 

 

讲解

你能否举出在现代社会中含硅元素的无机非金属材料吗?

体现现代文明的无机非金属材料的图片,如:加上“硅窗”的保鲜袋,超导材料,电子陶瓷,集成电路等。

能源、材料、信息,是文明的三大支柱。而能源问题的解决和信息社会飞速发展的前提是能源材料、信息材料的突破。硅在现代电子,航空航天,敏感材料,超导材料中起着十分重要的作用。我国正努力夺回世界材料科学的领先地位,再创中国材料科学的辉煌。

回答:含硅元素的无机非金属材料有用于制造电脑的半导体材料如晶体管、集成电路,用于信息传递的光导纤维。玻璃、水泥以及超导材料等到。

联想我国古代历史发明的辉煌的同时,了解当代国内外新技术,新成果,以及我们与世界先进水平的差距。

设问

 

讲述

谁知道硅在地壳中的含量?谁又知道硅在宇宙范围内的存量?

硅在地壳中的含量为27.72%,仅次于氧居第二位。在宇宙范围内,硅的存量次于氢、氦、碳、氖、氧、氮,占第七位。

 

 

回答:硅是自然界中分布很广的一种元素,它的含量仅次于氧居第二位。在宇宙范围内的存量不清楚。

 

教    师    活    动

学    生    活    动

指导阅读

板书

 

讲述

 

 

 

展示

设问

阅读课本第3页,第一、二自然段。

一、硅在自然界中的存在形式

 

人类虽然在一万年前制出了陶器,五千年前古埃及人发明了玻璃。而人类真正认识硅元素是在1823年由瑞典化学家贝采利乌斯用金属钾还原四氟化硅时获得单质硅的。

硅晶体样品或彩图。

请同学描述一下单质硅的色态?

阅读后归纳课本内容并回答:在自然界中无单质形式存在的硅,只有化合态硅。硅是构成矿物和岩石的主要元素。

 

 

 

回答:硅是灰黑色有金属光泽的固体。

板书

硅的物理性质

 

讲述

 

 

展示

 

 

 

 

投影

提问

 

展示

投影提问

在当今时代人们已能通过仪器观察一些物质的原子排列状况,1990年美国等少数国家首先在

-296℃的低温下移动了原子。

1993年中国生物学院真空物理实验室在常温下以超真空扫描隧道显微镜为手段,通过用探针拔出硅晶体表面硅原子形成约2nm的汉字中国图片。

(见附1)

硅晶体结构平面图。

1.画出平面图中硅晶体的最小结构单元。

2.画出最小结构单元的立体结构示意图。

金刚石晶体球棍模型

在金刚石和硅晶体结构中,由碳原子或硅原子直接相连形成的最小环上有_____个碳原子或有____个硅原子。相邻的Si—Si键角_______,相邻的

C—C键角_______。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

回答:最小的碳原子环上有6个碳原子。同样最小的硅原子环上有6个硅原子。键角均为109°18′

投影

 

键长

键能

 

晶体硅

2.35×10 m

222KJ/mol

金刚石

1.55×10 m

345KJ/mol

提问

通过以上对硅晶体与金刚石晶体结构的对比,请你分析一下结构对它们主要物理性质的影响?

回答:硅晶体与金刚石同属原子晶体,均为四面体结构,并向空间无限伸展成空间网状结构。它们的物理性质特点为硬度大,熔、沸点高。但金刚石的键长短,键能大,所以其硬度,熔、沸点高于晶体硅。

C       N    O    

 

Si

 

设问

 

 

总结

晶体硅、金刚石、二氧化硅、碳化硅同属原子晶体,请同学们讨论一下这四种晶体的熔、沸点高低顺序?

晶体硅的物理性质:

1.硅的熔、沸点高,硬度大。

2.由于硅原子半径大外层电子受核引力较小,因而是具有一定导电能力的半导体。与处于两性线附近的锗一样,是重要的半导体材料。

讨论思路:

1.构成原子晶体的微粒为原子;

2.晶体内结合力取决于原子间形成的共价键的键长和键能;

3.周期表中                             各原子位置。

得出结论:

原子半径:                Si>C>O

键长:C—C<Si—O<Si—C<Si—Si

键能:C—C>Si—O>Si—C>Si—Si

熔沸点:

金刚石>二氧化硅>碳化硅>晶体硅

 

 

 

教    师    活    动

学    生    活    动

讲述

 

 

 

投影

归纳总结

我们知道,碳在常温下化学性质很稳定,在高温下能跟氧气等物质反应。下面请同学们根据所学碳以及元素周期律知识,讨论归纳出一些硅的化学性质?

碳、硅化学性质对比表(见附2)

碳、硅为ⅣA元素,最外层4个电子,容易形成共价化合物。在化学性质上的相似点:常温时性质稳定,加热时可与O2、Cl2、H2等许多非金属反应。碳和硅都具有还原性。硅可用做炼钢时的脱氧剂。不同点:SiH4不如CH4稳定。硅可与氯气直接反应,碳不能与氯气直接反应,硅,的非金属性比碳弱。另外硅在常温下可与氢氟酸、强碱反应,碳则不能。

学生可能的回答:

1.硅、碳同属ⅣA元素,最外电子层有4个电子。所以硅的化学性质与碳相似。容易形成共价化合物。

2.也可发生的反应。

Si+O2 SiO2

将碳、硅化学性质对比表记录于笔记中。

板书

指导阅读

讲述

 

 

提问

四、硅的制法

课本第四页

用适量碳还原二氧化硅得到粗硅。将粗硅与氯气在高温下反应,得液态不纯的四氯化硅,经分馏提纯用氢气还原即可得纯硅。

写出以上各步制纯硅的化学反应方程式?

根据所讲的知识写出化学反应方程式:

2C+SiO2 Si+2CO↑

Si+2Cl2 SiCl4

SiCl4+2H2 Si↓+4HCl

板书

投影

 

讲述

 

 

 

 

 

小结

五、硅的用途

硅的应用树状图(或用电脑制作的课件来代替)。(见附3)

在科学家们的努力下,新思维、新方法层出不穷。人们正朝着按人的意志安排一个个原子的目标冲刺,多少奇迹展现眼前。到寻时新材料的研制和生产就像《一千零一夜》里的阿拉丁神灯一样,几乎无所不能,样样遂人心意地安排。

指导学生归纳本节内容。

观察与思考。

 

 

 

回忆本节课所学内容,师生共同总结。

 

 

随堂检测

1.在反应3C+SiO2 SiC+2CO↑中,氧化剂与还原剂的物质的量之比是

       A.1∶3             B.3∶1      C.2∶1       D.1∶2

X

 

Y

 

Z

 

2.某晶体一个晶胞如右图为立方体型,8个顶点为X原子,每个面中心为Y原子。立方体中心为Z原子,则该晶体X∶Y∶Z=______________。

 

 

 

 

 

 

硅及其重要的化合物(二)

教学目标

                   知识技能:让学生理解二氧化硅的晶体结构,掌握二氧化硅的化学性质了解其用途;并对硅酸的组成、性质及硅酸盐的组成和用途形成初步的认识;培养学生一定的操作技能。

                   能力目标:培养学生的阅读能力、自学能力;用对比的方法理解和掌握知识的能力,分析问题的思维能力。

                   科学思想:通过二氧化硅和硅酸钠知识的学习,培养学生树立物质“结构、性质与用途”间关系。

                   科学品质:通过展示水晶样品和二氧化硅的结构模型,让学生感受到化学世界里美的感染与激励,激发学生的求知欲和学习兴趣;通过对二氧化硅和硅酸盐用途的讨论,让学生体会到化学与社会的紧密联系,增强学生学习化学的情感需要;通过对联国陶瓷发展史的讨论,激发学生的爱国热情。

                   科学方法:培养学生学会由结构入手认识性质,由性质认识用途的方法;由模型入手认识微观结构的方法;能表格来处理资料等科学方法。

重点难点

                   二氧化硅的结构和化学性质;培养学生的自学能力和对比分析的能力;培养学生学会由结构入手认识性质,由性质认识用途的方法;培养学生用表格处理资料的科学方法。

教学过程

 

 

教    师    活    动

学    生    活    动

引言

 

 

 

 

板书

在地壳里,硅的含量在所有元素中居第二位。在自然界里硅只以化合态存在。你能写出一些硅的化合物的化学式吗?这节课我们就来学习硅的化合物的有关知识,先乍二氧化硅的结构及性质。

二、二氧化硅

写出上些含硅化合物的化学式:SiO2、Na2SiO3、H2SiO3

设问

你知道研究物质的性质有哪些常用方法?

对于二氧化硅可采用其中的什么方法?

分组讨论。

纷纷说出前面学习中用过的方法。

讨论后说出可用“通过结构认识性质”的方法,同时又与二氧化碳对比进行研究。

讲解

 

 

展示

 

投影

天然的二氧化硅分为晶体和无定形两大类。石英、水晶、硅藻土等都含有二氧化硅,二氧化硅的物理性质怎样?

一块水晶样品,让学生观察后描述。指导学生对比后填写表1-1中的物理性质。

表1(见附1)

描述二氧化硅,填写表1中物理性质中的内容。一学生写在投影片上。

设问

二氧化硅与二氧化碳都是酸性氧化物,为什么二者的'物理性质有如此大的差异?请阅闱课本第5~6页二氧化硅的结构部分,填写表1-1中二、三两栏。

回答:结构不同。阅读课本找出原因是二氧化硅为原子晶体,而二氧化碳为分子晶体。

填写表格。

设问

 

 

 

 

软件演示

二氧化硅晶体的空间结构如何?如何理解二氧化硅的化学式为SiO2

 

 

 

二氧化硅晶体的结构模型。

观看后回答:SiO2晶体是立体网状结构。在SiO2晶体里,每个Si周围结合四个O,同时每个O与两个Si相结合,在SiO2晶体中原子个数比为1∶2,因此用“SiO2”这个式子表示二氧化硅晶体的组成。

 

 

 

教师活动

学生活动

设问

联系二氧化碳化学性质,设想酸性氧化物二氧化硅可能会有哪些化学性质?

回忆CO2的化学性质:思考后回答:SiO2的化学性质为能与强碱反应,又能与碱性氧化物反应。

指导阅读

请阅读课本第6页化学性质部分后填写有关SiO2 、CO2的化学方程式。

阅读后填写化学方程式。一学生写在投影片上。

设问

 

投影

比较二氧化硅和二氧化碳在化学性质上的异同点。

二者化学性质上的异同点。

(见附1)

对比后回答异同点。

设问

为什么二者与碱性氧化物反应时条件有差异?

思考后回答:二氧化硅为原子晶体,且Si—O键键能大。

设问

二氧化硅的性质决定它有什么用途?指导学生阅读课本第7页用途部分。

二氧化硅还有哪些用途?分组讨论。

阅读后小结二氧化硅的用途。小组讨论后发言:可用于光导纤维、制宝石、制单晶硅、制玻璃等。

板书

 

设问

演示

三、硅酸        硅酸盐

1.硅酸

实验室如何制得硅酸?

将1∶2的HCl滴入饱和Na2SiO3溶液中,观察现象。

回答:可用H2SO4、HCl、H2CO3与硅酸盐反应。

观察记录实验现象:产生白色胶状沉淀。

讲解

 

 

 

投影

这里看到的白求恩色胶状沉淀是原硅酸,它在干燥的空气中不稳定,易失部分水变成白色粉未状的硅酸,所以SiO2对应的水化物有两种。根据性质填写原硅酸、硅酸、碳酸的对比表。

表2(见附2)

感知原硅酸、硅酸的不同及相互转化。填写表2中的内容。

一学生写在投影片上。

设问

硅酸与碳酸相比哪种物质的酸性强?其理论依据是什么?

 

如何通过实验加以验证?

思考后回答:碳酸强,因为同主族元素从上至下最高价氧化物对应水化物的酸性逐渐减弱。          回答:向Na2SiO3溶液中通入CO2气体。

指导实验

验证碳酸比硅酸酸性强。

演示:向Na2SiO3溶液中通入CO2气体,其他学生观察记录现象。

讲解

板书

设问

下面我们了解硅酸盐的知识。

2.硅酸盐

什么叫硅酸盐?阅读课本第8页第一段。

阅读教材,理解硅酸盐是指硅酸、原硅酸和由它们缩水结合而成的各种酸所对应的盐。

讲解

硅酸盐种类很多,大多难溶于水,可溶性硅酸盐,最常见的是Na2SiO3,它的水溶液俗称水玻璃,又称泡花碱,是一种无色粘稠的液体,它有什么用途?

回答:制硅酸。

讲解

 

 

展示

板书

实验室里用于制H2SiO3,工业上可制成硅酸凝胶,处理后就得硅胶。硅胶是一种很好的干燥剂和催化剂载体。

硅胶样品

3.硅酸钠的用途

(1)制硅胶

观察硅胶。

 

 

 

记笔记。

设问

 

演示

Na2SiO3还有哪些用途?请观察以下几个实验现象。

用玻璃塞塞紧的长期装水玻璃的试剂瓶,拔其瓶塞。

 

观察到瓶塞拔不出。

 

教    师    活    动

学    生    活    动

演示

将用水玻璃浸过的且已干燥的布条放在火焰上烧。

将用水玻璃浸过的长期存放的鲜蛋敲碎。

观察到布条没有燃烧。

 

观察到鲜蛋没有坏。

设问

板书

由这几个实验事实说明Na2SiO3有什么用途?

(2)粘合剂;(3)耐火材料;(4)防腐剂。

纷纷说出Na2SiO3的用途:作粘合剂、耐火材料、防腐剂等。

讲解

硅酸盐种类繁多,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。书写顺序为:金属氧化物、二氧化硅、水。若有两种金属氧化,则活泼的在前,较不活泼的在后。

记忆硅酸盐氧化物形式表示的规律。

设问

请用氧化物的形式表示硅酸钠[Na2SiO]、镁橄榄石[Mg2SiO4]、高岭土[Al2(Si2O5)(OH)4]的组成,一学生写在投影片上。

Na2O·SiO2

2MgO·SiO2

Al2O3·2SiO2·2H2O

讲解

粘土也属于硅酸盐,其主要成分是高岭土,可用于制造水泥和陶瓷。

感知粘土的成分和用途。

 

设问

硅酸盐种类很多,用途很广,试举例说明。

纷纷说出硅酸盐的用途:制玻璃、水泥、陶瓷、砖等。

设问

讲解

为什么在英文中用China表示中国?

陶瓷在我国历史悠久,但目前发展状况不容乐观,还需各位作出不懈努力,宏扬民族文化精髓。

纷纷说出自己的看法:见效是中国人发明并最早使用,欧洲人视中国陶瓷为无价之宝,所以欧洲人把瓷器叫做“China”久而久之 “China”就成了中国的英文名称。

讲解

设问

请大家小结本节课的知识重点。

在这节课中,你我对化学与社会间的关系有什么认识?

思考后回答:二氧化硅的结构及其化学性质。

回答:化学与社会的关系很紧密,社会的进步离不开化学的发展。

作业

课本第9页第4、5、6题。

 

 

 

随堂检测

1.你学过的原子晶体有哪些?其中属于化合物的是什么?

2.用化学方程式表示二氧化硅是酸性氧化物。

3.下列溶液通入过量的CO2后无沉淀的有。

      A.CaCl2               B.Ca(ClO)2                 C.Na2SiO3                 D.饱和Na2CO3溶液

 

检测答案

1.金刚石、单晶硅、二氧化硅          二氧化硅          2.SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

3.(A)(B)


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