2019-2020年高中化學(xué) 第四章 非金屬及其化合物 4.1 無機(jī)非金屬材料的主角-硅教案2 新人教版必修1三維目標(biāo)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(zhì)和重要用途；(3)掌握硅酸鈉的化學(xué)性質(zhì)。2過程與方法(1)通過對水泥工業(yè)的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和表達(dá)能力；(2)活動探究，通過硅與碳的比較，培養(yǎng)學(xué)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(xiàn)狀及前景的介紹，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣；(2)通過對硅及其用途的學(xué)習(xí)使學(xué)生熱愛自然、熱愛化學(xué)。教學(xué)重點(diǎn)硅酸鹽的重要用途及組成，硅的物理性質(zhì)和重要用途，硅酸鈉的化學(xué)性質(zhì)。教學(xué)難點(diǎn)硅酸鹽的重要用途及組成，硅的物理性質(zhì)和重要用途。課前準(zhǔn)備所用投影的PPT: 自然界中的一些硅酸鹽的圖片及其化學(xué)式；學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)步驟；傳統(tǒng)的三大硅酸鹽產(chǎn)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(zhì)量的92%是硅酸鹽和二氧化硅。上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了有關(guān)二氧化硅的知識，這節(jié)課我們一起來學(xué)習(xí)有關(guān)硅酸鹽的知識。推進(jìn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的固態(tài)物質(zhì)，大多數(shù)不溶于水，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定。投影自然界中的一些硅酸鹽的圖片及其化學(xué)式分析硅酸鹽的種類多、結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，其組成表示方法一般有兩種：(1)鹽化學(xué)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(fù)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(yīng)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(yīng)與原來化學(xué)式中的原子個數(shù)比相同。一、硅酸鹽1硅酸鹽組成的表示方法(1)鹽化學(xué)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(xí)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(shù)可溶于水的一種，用途廣泛，下面我們先來學(xué)習(xí)它的有關(guān)知識。展示硅酸鈉試劑投影學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)步驟探究實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)步驟：將硅酸鈉加水溶解，并檢驗(yàn)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。現(xiàn)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(chǎn)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(qiáng)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(xué)反應(yīng)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(yīng)，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(yīng)的化學(xué)方程式為H2SiO32NaOH=Na2SiO32H2O?？偨Y(jié)硅酸鈉是一種無色晶體，熔點(diǎn)高，易溶于水，是硅酸鹽中少數(shù)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(zhì)，硅酸鈉溶液中通入二氧化碳有沉淀生成，根據(jù)強(qiáng)酸制弱酸的原理說明H2CO3的酸性強(qiáng)于H2SiO3。由于鹽酸的酸性強(qiáng)于硅酸，所以鹽酸也可以和水玻璃反應(yīng)生成硅酸沉淀。2硅酸鈉(1)硅酸鈉是一種無色晶體，熔點(diǎn)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(xué)方程式為Na2SiO3H2OCO2=H2SiO3Na2CO3，因此Na2SiO3溶液要密封保存投影學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)步驟探究實(shí)驗(yàn)2實(shí)驗(yàn)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(xiàn)象。現(xiàn)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(zhì)可以防火?？偨Y(jié)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(chǎn)品過渡玻璃、水泥、陶瓷是傳統(tǒng)的三大硅酸鹽產(chǎn)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(chǎn)品是如何生產(chǎn)的呢？生產(chǎn)它們的原料分別是什么呢？請同學(xué)們閱讀教材相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。總結(jié)陶瓷的制備是將黏土去除雜質(zhì)后，加水混勻，制成所需形狀的坯件，再經(jīng)過高溫?zé)凭偷玫教沾僧a(chǎn)品。在高溫?zé)茣r，坯件中的原料發(fā)生了一系列復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化。水泥產(chǎn)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(zhuǎn)窯中高溫煅燒后，再加入適量的石膏，磨成細(xì)粉，就得到普通的硅酸鹽水泥。生產(chǎn)過程中加入石膏的作用是調(diào)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(chǎn)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(chǎn)過程中加入石膏的作用是調(diào)節(jié)水泥的硬化速度)。主要設(shè)備：水泥回轉(zhuǎn)窯。生產(chǎn)條件：高溫煅燒。產(chǎn)品成分：復(fù)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(shè)備：玻璃熔爐。生產(chǎn)條件：高溫熔融。分析玻璃、水泥、陶瓷生產(chǎn)的共同點(diǎn)：都在高溫下，發(fā)生了復(fù)雜的物理和化學(xué)變化。原料物質(zhì)都有含硅元素，產(chǎn)品都含硅酸鹽，且都是混合物。此外，化學(xué)家還制成了其他一些具有特殊功能的含硅的物質(zhì)。例如，硅與碳的化合物碳化硅(俗稱金剛砂)，具有金剛石結(jié)構(gòu)，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(dǎo)彈、飛機(jī)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(yuǎn)古時期人類就已經(jīng)開始加工和使用陶瓷，但硅的單質(zhì)直到18世紀(jì)上半葉才由化學(xué)家制備出來。下面我們就一起來認(rèn)識一下硅單質(zhì)。二、硅單質(zhì)1硅單質(zhì)的物理性質(zhì)分析與碳相似，硅單質(zhì)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，類似于金剛石的結(jié)構(gòu)。提問結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，請同學(xué)們根據(jù)硅的結(jié)構(gòu)來推測單質(zhì)硅有什么性質(zhì)？回答單質(zhì)硅熔點(diǎn)高、硬度大。投影單晶硅圖片總結(jié)灰黑色、有金屬光澤，硬而脆的固體，熔、沸點(diǎn)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(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料。2單質(zhì)硅的化學(xué)性質(zhì)(1)常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，除氟氣、氫氟酸和強(qiáng)堿外，硅不跟其他物質(zhì)起反應(yīng)，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(yīng)。SiO2SiO2Si2Cl2SiCl4SiCSiC設(shè)問從20世紀(jì)中葉開始，硅成了信息技術(shù)的關(guān)鍵材料，那單質(zhì)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(dǎo)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(yīng)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(jī)內(nèi)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(dǎo)體器件；(2)制造太陽能電池；(3)制造合金，如含硅4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋼導(dǎo)磁性好制造變壓器的鐵芯；含硅15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋼有良好的耐酸性等。課堂小結(jié)這節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了硅單質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及用途和硅酸鹽的知識，通過學(xué)習(xí)，我們了解到硅及其化合物在社會發(fā)展和人類文明進(jìn)步歷程中充當(dāng)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(jìn)步發(fā)揮更多的作用，創(chuàng)造更多的奇跡。希望同學(xué)們努力學(xué)習(xí)，掌握更多的科學(xué)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(yīng)用。硅酸鹽、硅單質(zhì)一、硅酸鹽1硅酸鹽組成的表示方法(1)鹽化學(xué)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(diǎn)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(xué)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(chǎn)品(1)水泥(2)陶瓷(3)玻璃二、硅單質(zhì)1硅單質(zhì)的物理性質(zhì)單質(zhì)硅的物理性質(zhì)：灰黑色、有金屬光澤，硬而脆的固體，熔、沸點(diǎn)高，是良好的半導(dǎo)體2單質(zhì)硅的化學(xué)性質(zhì)(1)常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，除氟氣、氫氟酸和強(qiáng)堿外，硅不跟其他物質(zhì)起反應(yīng)，如：O2、Cl2、H2SO4、HNO3等(2)加熱的條件下，硅能跟一些非金屬反應(yīng)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(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)中，都需要的原料是()A生石灰 B石灰石C石英 D純堿3應(yīng)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(yīng)，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(diǎn)。難的是如何真正激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并讓其產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲。若單純地讓學(xué)生去自學(xué)這部分知識，學(xué)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(xué)生會有單調(diào)乏味之感?；谝陨峡紤]，采取圖像展示、學(xué)生自學(xué)、歸納、教師激疑引導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)問答等教學(xué)方法，激活了學(xué)生思維。如通過演示實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生有較深的印象。另外，在課堂上還補(bǔ)充了一些課外知識，擴(kuò)大了學(xué)生的知識面，使學(xué)生愉快地接受了所學(xué)知識，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到了提升，學(xué)生在課堂上的主體性得到了較好的體現(xiàn)。1分子篩的簡介許多硅酸鹽具有多孔的結(jié)構(gòu)，孔的大小與一般分子的大小相當(dāng)，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(jié)構(gòu)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(jìn)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(chǎn)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(chǎn)品，其主要作用是分離空氣富集氮?dú)?；能廣泛應(yīng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的鉀型，能吸附臨界直徑不大于3A的分子，典型化學(xué)組成2/3K2O1/3Na2OAl2O32SiO24.5H2O。該產(chǎn)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(yīng)用于正異構(gòu)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(yīng)用特點(diǎn)，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(yīng)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(yīng)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(zhì)為“膠體”。水玻璃的應(yīng)用：(1)涂刷材料表面，提高抗風(fēng)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(xì)孔通道，提高材料的密度和強(qiáng)度，從而提高材料的抗風(fēng)化能力。但水玻璃不得用來涂刷或浸漬石膏制品。因?yàn)樗Ａc石膏反應(yīng)生成硫酸鈉(Na2SO4)，在制品孔隙內(nèi)結(jié)晶膨脹，導(dǎo)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(yīng)生成硅膠和硅酸鈣凝膠，起到膠結(jié)和填充孔隙的作用，使土壤的強(qiáng)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(jié)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(bǔ)。水玻璃耐熱砂漿和混凝土主要用于高爐基礎(chǔ)和其他有耐熱要求的結(jié)構(gòu)部位。(6)防腐工程應(yīng)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(shí)抗?jié)B、價格低廉、使用方便?？砂韬统赡退崮z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(jié)構(gòu)的防腐蝕工程，是防酸建筑結(jié)構(gòu)貯酸池、耐酸地坪以及耐酸表面砌筑的理想材料。