2019-2020年高中化學 第四章 非金屬及其化合物 4.1 無機非金屬材料的主角-硅教案2 新人教版必修1.doc

2019-2020年高中化學 第四章 非金屬及其化合物 4.1 無機非金屬材料的主角-硅教案2 新人教版必修1三維目標1知識與技能(1)初步了解硅酸鹽的重要用途及組成；(2)了解硅的物理性質和重要用途；(3)掌握硅酸鈉的化學性質。2過程與方法(1)通過對水泥工業(yè)的教學，培養(yǎng)學生的自學能力和表達能力；(2)活動探究，通過硅與碳的比較，培養(yǎng)學生的歸納能力、比較能力。3情感態(tài)度與價值觀(1)通過對玻璃、陶瓷工業(yè)現狀及前景的介紹，激發(fā)學生學習化學的興趣；(2)通過對硅及其用途的學習使學生熱愛自然、熱愛化學。教學重點硅酸鹽的重要用途及組成，硅的物理性質和重要用途，硅酸鈉的化學性質。教學難點硅酸鹽的重要用途及組成，硅的物理性質和重要用途。課前準備所用投影的PPT: 自然界中的一些硅酸鹽的圖片及其化學式；學生探究實驗步驟；傳統(tǒng)的三大硅酸鹽產品；金剛砂、硅橡膠、分子篩的圖片；單晶硅圖片；單晶硅的用途。所用的實驗用品：試管、玻璃棒、酒精燈、試管夾、滴管、pH試紙、布條、硅酸鈉、稀鹽酸、氫氧化鈉溶液、硅酸鈉飽和溶液、蒸餾水。導入新課硅元素在地殼中的含量僅次于氧元素，但在自然界中找不到游離態(tài)的硅，硅元素在自然界中主要是以硅酸鹽和二氧化硅的形式存在，地殼質量的92%是硅酸鹽和二氧化硅。上節(jié)課我們學習了有關二氧化硅的知識，這節(jié)課我們一起來學習有關硅酸鹽的知識。推進新課分析硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱，在自然界中分布極廣。硅酸鹽是一大類結構復雜的固態(tài)物質，大多數不溶于水，化學性質很穩(wěn)定。投影自然界中的一些硅酸鹽的圖片及其化學式分析硅酸鹽的種類多、結構很復雜，其組成表示方法一般有兩種：(1)鹽化學式法，如：硅酸鈉Na2SiO3 、硅酸鈣CaSiO3等。此法一般用于組成較簡單的硅酸鹽。(2)鹽氧化物法：對于復雜的硅酸鹽，通?？捎枚趸韬徒饘傺趸锏男问絹肀硎酒浣M成。金屬氧化物寫在前面，再寫SiO2，最后寫H2O；氧化物之間用“”隔開。例如：Na2SiO3寫成Na2OSiO2；Al2(Si2O5)(OH)4寫成Al2O32SiO22H2O。鹽氧化物書寫原則：各元素寫成相應的氧化物，元素的價態(tài)保持不變。順序按先金屬后非金屬，金屬元素中按金屬活動性順序依次排列，中間用“”間隔。注意改寫后應與原來化學式中的原子個數比相同。一、硅酸鹽1硅酸鹽組成的表示方法(1)鹽化學式法如：硅酸鈉：Na2SiO3、硅酸鈣：CaSiO3，此法用于組成簡單的硅酸鹽(2)鹽氧化物法如：鋯石：ZrO2SiO2紅柱石：Al2O3SiO2鎂橄欖石：2MgOSiO2 鈣鋁石榴子石：3CaOAl2O33SiO2練習把下列式子改寫成氧化物的形式。1蛇紋石：H4Mg3Si2O92鈣長石：CaAl2SiO63石棉：CaMg3Si4O124長石：KAlSi3O85普通玻璃：CaNa2Si6O146黏土：Al2(Si2O5)(OH)4答案：1蛇紋石：H4Mg3Si2O9寫成3MgO2SiO22H2O2鈣長石：CaAl2SiO6寫成CaOAl2O3SiO23石棉：CaMg3Si4O12寫成CaO 3MgO4SiO24長石：KAlSi3O8寫成K2OAl2O36SiO25普通玻璃：CaNa2Si6O14寫成CaONa2O6SiO26黏土：Al2(Si2O5)(OH)4寫成Al2O32SiO22H2O過渡在硅酸鹽中，硅酸鈉是極少數可溶于水的一種，用途廣泛，下面我們先來學習它的有關知識。展示硅酸鈉試劑投影學生探究實驗步驟探究實驗1實驗步驟：將硅酸鈉加水溶解，并檢驗其溶液的酸堿性；向硅酸鈉溶液中通二氧化碳或滴加稀鹽酸；再向中滴加氫氧化鈉溶液?，F象：硅酸鈉溶于水，滴加酚酞后溶液呈紅色；向其中通入二氧化碳或滴加稀鹽酸后都產生白色沉淀；再加氫氧化鈉溶液，沉淀溶解。分析：(1)硅酸鈉能溶于水，水溶液呈堿性；(2)由于硅酸是一種弱酸，酸性比碳酸還要弱，利用強酸制弱酸的原理，所以向溶液中通二氧化碳或滴加稀鹽酸有白色沉淀硅酸生成，化學反應方程式為：Na2SiO3H2OCO2=H2SiO3Na2CO3Na2SiO32HCl=H2SiO32NaCl(3)硅酸是一種酸，與堿可以發(fā)生酸堿中和反應，生成可溶于水的硅酸鈉，所以在沉淀中加入氫氧化鈉溶液，沉淀溶解，反應的化學方程式為H2SiO32NaOH=Na2SiO32H2O。總結硅酸鈉是一種無色晶體，熔點高，易溶于水，是硅酸鹽中少數幾種溶于水中的鹽，水溶液俗稱“水玻璃”。硅酸鈉的水溶液呈堿性，水溶液在空氣中易變質，硅酸鈉溶液中通入二氧化碳有沉淀生成，根據強酸制弱酸的原理說明H2CO3的酸性強于H2SiO3。由于鹽酸的酸性強于硅酸，所以鹽酸也可以和水玻璃反應生成硅酸沉淀。2硅酸鈉(1)硅酸鈉是一種無色晶體，熔點高(2)Na2SiO3易溶于水，溶液呈堿性，它的水溶液俗稱“水玻璃”，(3)Na2SiO3溶液易吸收空氣中的CO2，化學方程式為Na2SiO3H2OCO2=H2SiO3Na2CO3，因此Na2SiO3溶液要密封保存投影學生探究實驗步驟探究實驗2實驗步驟：取兩條一樣的干燥布條，分別放入蒸餾水和硅酸鈉飽和溶液中，使之充分吸濕、浸透，取出稍瀝干后，分別放置在酒精燈外焰處。觀察現象?，F象：在硅酸鈉溶液中浸泡并瀝干的布條不燃燒。分析：在硅酸鈉溶液中浸泡并瀝干的布條不燃燒，說明用水玻璃浸泡過后的物質可以防火?？偨Y硅酸鈉用途很廣，建筑工業(yè)和造紙工業(yè)用它作黏合劑。木材織物用水玻璃浸泡過后既防腐又不易著火。(4)用途：建筑工業(yè)和造紙工業(yè)用它作黏合劑，木材或織物用水玻璃浸泡后既防腐又不易著火。投影傳統(tǒng)的三大硅酸鹽產品過渡玻璃、水泥、陶瓷是傳統(tǒng)的三大硅酸鹽產品，即傳統(tǒng)材料。中國的瓷器更是馳名世界，英文的“中國”(China)一詞又指“瓷器”，這反映了在西方人眼中中國作為“瓷器故鄉(xiāng)”的形象。那么，這三大硅酸鹽產品是如何生產的呢？生產它們的原料分別是什么呢？請同學們閱讀教材相關內容進行總結?？偨Y陶瓷的制備是將黏土去除雜質后，加水混勻，制成所需形狀的坯件，再經過高溫燒制就得到陶瓷產品。在高溫燒制時，坯件中的原料發(fā)生了一系列復雜的物理變化和化學變化。水泥產品的主要成分是2CaOSiO2、3CaOSiO2、3CaOAl2O3，工業(yè)上是以黏土(主要成分為鋁硅酸鹽)、石灰石為主要原料，在水泥回轉窯中高溫煅燒后，再加入適量的石膏，磨成細粉，就得到普通的硅酸鹽水泥。生產過程中加入石膏的作用是調節(jié)水泥的硬化速度。普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2，普通玻璃是將石灰石、純堿、石英在玻璃熔爐中高溫熔融制得。3硅酸鹽產品(1)水泥主要成分：2CaOSiO2、3CaOSiO2、3CaOAl2O3。制造原料：黏土(SiO2)、石灰石、石膏(適量)(注意：生產過程中加入石膏的作用是調節(jié)水泥的硬化速度)。主要設備：水泥回轉窯。生產條件：高溫煅燒。產品成分：復雜，主要是硅酸鹽。制造原料：黏土、石英砂。成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。制造原料：純堿、石灰石、石英(SiO2)。主要設備：玻璃熔爐。生產條件：高溫熔融。分析玻璃、水泥、陶瓷生產的共同點：都在高溫下，發(fā)生了復雜的物理和化學變化。原料物質都有含硅元素，產品都含硅酸鹽，且都是混合物。此外，化學家還制成了其他一些具有特殊功能的含硅的物質。例如，硅與碳的化合物碳化硅(俗稱金剛砂)，具有金剛石結構，硬度很大，可作砂紙、砂輪的磨料；人工合成的硅橡膠是目前最好的既耐高溫又耐低溫的橡膠，用于制造火箭、導彈、飛機的零件和絕緣材料等；人工合成的分子篩，主要作吸附劑和催化劑等。投影金剛砂、硅橡膠、分子篩的圖片過渡雖然硅的化合物隨處可見，而且遠古時期人類就已經開始加工和使用陶瓷，但硅的單質直到18世紀上半葉才由化學家制備出來。下面我們就一起來認識一下硅單質。二、硅單質1硅單質的物理性質分析與碳相似，硅單質有晶體硅和無定形體兩種，硅晶體中每個Si原子都是以4個共價鍵和另外4個Si原子相連，形成空間正四面體的立體網狀結構，類似于金剛石的結構。提問結構決定性質，請同學們根據硅的結構來推測單質硅有什么性質？回答單質硅熔點高、硬度大。投影單晶硅圖片總結灰黑色、有金屬光澤，硬而脆的固體，熔、沸點高。硅在元素周期表中處于金屬與非金屬的過渡位置，晶體硅的導電性介于導體和絕緣體之間，是良好的半導體材料。2單質硅的化學性質(1)常溫下，硅的化學性質不活潑，除氟氣、氫氟酸和強堿外，硅不跟其他物質起反應，如：O2、Cl2、H2SO4、HNO3等。Si4HF=SiF42H2Si2F2=SiF4Si2NaOHH2O =Na2SiO32H2(2)加熱的條件下，硅能跟一些非金屬反應。SiO2SiO2Si2Cl2SiCl4SiCSiC設問從20世紀中葉開始，硅成了信息技術的關鍵材料，那單質硅能用做什么呢？投影單晶硅的用途高純的單晶硅是重要的半導體材料，可做成太陽能電池，在開發(fā)能源方面是一種很有前途的材料。另外，廣泛應用的二極管、三極管、晶閘管和各種集成電路(包括我們計算機內的芯片和CPU)都是用硅制作的原材料。3硅的主要用途(1)用于制造硅芯片、集成電路、晶體管、硅整流器等半導體器件；(2)制造太陽能電池；(3)制造合金，如含硅4%(質量分數)的鋼導磁性好制造變壓器的鐵芯；含硅15%(質量分數)的鋼有良好的耐酸性等。課堂小結這節(jié)課我們主要學習了硅單質的結構、性質及用途和硅酸鹽的知識，通過學習，我們了解到硅及其化合物在社會發(fā)展和人類文明進步歷程中充當了一個非常重要的角色，可以說目前全球信息的流通、電子工業(yè)的發(fā)展都離不開硅；我們也相信隨著科技的發(fā)展，它們還會為人類文明的進步發(fā)揮更多的作用，創(chuàng)造更多的奇跡。希望同學們努力學習，掌握更多的科學知識，開發(fā)、研究硅這古老而又年輕的元素在更多方面的應用。硅酸鹽、硅單質一、硅酸鹽1硅酸鹽組成的表示方法(1)鹽化學式法如：硅酸鈉：Na2SiO3、硅酸鈣：CaSiO3，此法用于組成簡單的硅酸鹽(2)鹽氧化物法如：鋯石：ZrO2SiO2紅柱石：Al2O3SiO2鎂橄欖石：2MgOSiO2鈣鋁石榴子石：3CaOAl2O33SiO22硅酸鈉(1)硅酸鈉是一種無色晶體，熔點高(2)Na2SiO3易溶于水，溶液呈堿性，它的水溶液俗稱“水玻璃”(3)Na2SiO3溶液易吸收空氣中的CO2，化學方程式為Na2SiO3H2OCO2=H2SiO3Na2CO3，因此Na2SiO3溶液要密封保存(4)用途：建筑工業(yè)和造紙工業(yè)用它作黏合劑，木材或織物用水玻璃浸泡后既防腐又不易著火3硅酸鹽產品(1)水泥(2)陶瓷(3)玻璃二、硅單質1硅單質的物理性質單質硅的物理性質：灰黑色、有金屬光澤，硬而脆的固體，熔、沸點高，是良好的半導體2單質硅的化學性質(1)常溫下，硅的化學性質不活潑，除氟氣、氫氟酸和強堿外，硅不跟其他物質起反應，如：O2、Cl2、H2SO4、HNO3等(2)加熱的條件下，硅能跟一些非金屬反應3硅的主要用途(1)用于制造硅芯片、集成電路、晶體管、硅整流器等半導體器件(2)制造太陽能電池(3)制造合金1給下列溶液中通入CO2氣體，不可能產生沉淀的是()A氯化鈣和硝酸鋇的混合液 B稀的水玻璃C偏鋁酸鈉溶液 D碳酸鈉飽和溶液2在煉鐵、制玻璃、制水泥三種工業(yè)生產中，都需要的原料是()A生石灰 B石灰石C石英 D純堿3應用帶橡膠塞的玻璃試劑瓶保存的溶液是()A燒堿溶液 B硫酸鈉溶液C水玻璃溶液 D濃硫酸4氫氧化鋁膠囊、碳酸氫鈉粉劑因能同胃酸反應，曾用來治療胃酸過多。三硅酸鎂(2MgO3SiO2nH2O)和氫氧化鋁膠囊一樣，在治療時作用持久。試寫出三硅酸鎂同胃酸的主要成分作用的離子方程式_。5在自然界里，硅存在于地殼的各種礦物和巖石中的形式是()A晶體硅 B二氧化硅C硅酸 D硅酸鹽答案1A2B3AC42MgO3SiO2nH2O4H=2Mg23SiO2(n2)H2O5D本節(jié)課在知識的理解上，亦無難點。難的是如何真正激發(fā)學生的學習興趣，并讓其產生強烈的求知欲。若單純地讓學生去自學這部分知識，學生很容易讀懂，但日后的印象會如過眼煙云；若只是教師講述，學生會有單調乏味之感?；谝陨峡紤]，采取圖像展示、學生自學、歸納、教師激疑引導、實驗問答等教學方法，激活了學生思維。如通過演示實驗，可讓學生有較深的印象。另外，在課堂上還補充了一些課外知識，擴大了學生的知識面，使學生愉快地接受了所學知識，學生的學習興趣得到了提升，學生在課堂上的主體性得到了較好的體現。1分子篩的簡介許多硅酸鹽具有多孔的結構，孔的大小與一般分子的大小相當，而且組成不同的硅酸鹽的孔徑不同。因此這些硅酸鹽具有篩分分子的作用，人們把它們稱為分子篩(molecular sieve)。如組成為Na2OAl2O32SiO2nH2O的鋁硅酸鹽，其中有許多籠狀空穴和通道。這種結構使它很容易可逆地吸收或失去水及其他小分子，如二氧化碳、氨、甲醇、乙醇等，但它不能吸收那些大得不能進入空穴的分子。因此它可用于吸水、分離氣體、吸附有毒氣體等。分子篩常用于分離、提純氣體或液體混合物。作干燥劑、離子交換劑、催化劑、催化劑載體，用于凈化水、凈化空氣、防毒器械、食品保鮮、電子產品處理、石油化工等方面。如：氮碳分子篩作為一種新型吸附劑產品，其主要作用是分離空氣富集氮氣；能廣泛應用于食品、水果、糧食、茶葉、中藥材的保鮮和貯存，金屬熱處理的氮基處理、電子產品處理、煤礦滅火、石油化工等方面。如：3A型分子篩，是指A型晶體結構的鉀型，能吸附臨界直徑不大于3A的分子，典型化學組成2/3K2O1/3Na2OAl2O32SiO24.5H2O。該產品主要用途為化工、石油、醫(yī)藥、中空玻璃等工業(yè)用干燥劑，用于不飽和烴物料，如裂解氣、丁二烯、丙烯、乙炔等工業(yè)脫水，也可用于氣體、極性液體和天然氣的干燥。由于3A型的孔徑較小，在吸附過程中能有效控制其他分子的共吸附。又如5A分子篩：5A分子篩的孔徑為5A，能吸附小于該孔徑的任何分子，主要應用于正異構烴分離、變壓吸附分離及水和二氧化碳的共吸附，基于5A分子篩的工業(yè)應用特點，所以5A分子篩選擇吸附性高、吸附速度快，特別適用于變壓吸附，可適應各種大小的制氧、制氫、制二氧化碳等氣體變壓吸附裝置，是變壓吸附行業(yè)中的精品。2水玻璃的應用水玻璃為硅酸鈉液體狀態(tài)，南方多稱水玻璃，北方多稱泡花堿。液體硅酸鈉無色、略帶色的透明或半透明黏稠狀液體。固體硅酸鈉為無色、略帶色的透明或半透明玻璃塊狀體。形態(tài)分為液體、固體、水淬三種。理論上稱這類物質為“膠體”。水玻璃的應用：(1)涂刷材料表面，提高抗風化能力水玻璃溶液涂刷或浸漬材料后，能滲入縫隙和孔隙中，固化的硅凝膠能堵塞毛細孔通道，提高材料的密度和強度，從而提高材料的抗風化能力。但水玻璃不得用來涂刷或浸漬石膏制品。因為水玻璃與石膏反應生成硫酸鈉(Na2SO4)，在制品孔隙內結晶膨脹，導致石膏制品開裂破壞。(2)加固土壤將水玻璃與氯化鈣溶液交替注入土壤中，兩種溶液迅速反應生成硅膠和硅酸鈣凝膠，起到膠結和填充孔隙的作用，使土壤的強度和承載能力提高。常用于粉土、沙土和填土的地基加固，稱為雙液注漿。(3)配制速凝防水劑水玻璃可與多種礬配制成速凝防水劑，用于堵漏、填縫等局部搶修。這種多礬防水劑的凝結速度很快，一般為幾分鐘，其中四礬防水劑不超過1 min，故工地上使用時必須做到即配即用。多礬防水劑常用膽礬(硫酸銅晶體)、紅礬(重鉻酸鉀晶體)、明礬(也稱白礬，硫酸鋁鉀晶體)、紫礬等四種礬。(4)配制耐酸膠凝、耐酸砂漿和耐酸混凝土耐酸膠凝是用水玻璃和耐酸粉料(常用石英粉)配制而成。與耐酸砂漿和混凝土一樣，主要用于有耐酸要求的工程。如硫酸池等。(5)配制耐熱膠凝、耐熱砂漿和耐熱混凝土水玻璃膠凝主要用于耐火材料的砌筑和修補。水玻璃耐熱砂漿和混凝土主要用于高爐基礎和其他有耐熱要求的結構部位。(6)防腐工程應用改性水玻璃耐酸泥是耐酸腐蝕重要材料，主要特性是耐酸、耐溫、密實抗?jié)B、價格低廉、使用方便。可拌和成耐酸膠泥、耐酸砂漿和耐酸混凝土，適用于化工、冶金、電力、煤炭、紡織等行業(yè)的各種結構的防腐蝕工程，是防酸建筑結構貯酸池、耐酸地坪以及耐酸表面砌筑的理想材料。