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《教学设计》第四章 第一节 无机非金属材料的主角------硅

湛江市第二中学高一化学备课组 何益南

第一课时：硅及二氧化硅

教学目的:

知识与技能

1、了解硅在自然界中的含量、存在、用途

2、了解二氧化硅的物理性质，掌握二氧化硅的化学性质

过程与方法

1、自主学习，培养学生自学的能力。

2、通过硅与碳的比较学习，引导学生学会运用对比的方法来认识物质。

3、活动探究，通过硅与碳、二氧化硅与二氧化碳的比较，培养学生的归纳能力、比较能力。

情感态度价值观

通过了解材料发展的历史与前景，使学生认识化学在材料科学中的重要地位，体会化学的创造性和实用性，激发对化学科学的兴趣。

重点：

二氧化硅的性质(尤其是作为酸性氧化物的性质)

难点：

二氧化硅的存在等STS关注的拓展性学习内容

教学方法：

自主探究法，无师自通法

教学流程：

1. 学生自主学习，自己解决问题。

2.学生问题收集。

3.老师和学生共同解决问题。

4.练习巩固。

学习内容：

（一）硅( silicon) 单质

1、存在形态：有晶体硅和无定形硅两种同素异形体

2、晶体结构：正四面体形

3、物理性质：灰黑色具有金属光泽的固体、熔点高、硬度大、质脆、导电性介于导体和绝缘体之间，是好的半导体材料。

4、化学性质

(1) 常温下的反应：

Si+2F₂==SiF₄   Si+4HF==SiF₄↑+2H₂ ↑

Si+2NaOH +H₂O == Na₂SiO₃+2H₂↑

(2) 高温下的反应：

Si+O₂SiO₂    Si+2Cl₂ SiCl₄

5、硅的制备

(1) 工业上制粗硅

     SiO₂  +  2C     Si+2CO ↑

   石英砂   焦炭  电炉中  粗硅

(2) 由粗硅制纯硅

     Si+2Cl₂  SiCl₄     SiCl₄+2H₂Si+4HCl

(二)、二氧化硅

1、二氧化硅(SiO₂ )<silicon dioxide>

(1) 存在

(2) 用途

(3) 物理性质：熔点高，硬度大的固体、不溶于水，纯净的SiO₂ 晶体无色透明

(4) 结构：空间网状结构

(5) 化学性质：稳定，不活泼

1 具有酸性氧化物的性质：(不溶于水且不和水反应)

与强碱反应 ：SiO₂+2NaOH==Na₂SiO₃+H₂O

与碱性氧化物反应：SiO₂+CaOCaSiO₃ 

2 与HF的反应：SiO₂+4HF==SiF₄ ↑+2H₂O

重点讲解：

1、提到硅，同学们又能想到什么呢？

硅谷：美国新兴的高技术产业开发区,电子技术研究中心,计算机生产的重要基地,位于加利福尼亚州圣弗朗西斯科南端.

半导体：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.

沙子、石英、水晶：主要成分是硅的氧化物

光导纤维:从石英玻璃熔融体中,拉出直径为100微米的细丝.再把千百根光导纤维组合并增强处理,就制成成光缆,其优点:质轻,体积小,输送距离长,保密性好,成本低.

［导入］从古至今，在无机非金属材料中，硅一直都在扮演着主要的角色。今天，就让我们一同来研究一下硅的氧化物------二氧化硅及硅酸和硅酸盐的性质 。

硅在地壳中含量丰富，仅次于氧，排在第二位，约占26.3%。

2.位于周期表中的第四长列上的是碳族，这一族可谓是豪门望族。其中具有代表性的是其中的两位兄长。碳，形成了无数种构成人类和其它地球生物等的有机物，“统治了有机界”。其构成的煤、石油等有机化产品和材料是现代化的基石。而它的弟弟------硅，地壳质量的约90%，构成了地壳大部分岩石、沙子和土壤， “统治了地壳”，而当今硅酸盐工业的陶瓷、玻璃、水泥等使人类生活日新月异。

［思考与交流］画出C、Si的原子结构简图，并由此分析：硅的化学性质活不活泼，为什么？硅的化合价主要是多少？

Si原子最外层有四个电子,既不易失电子,

也不易得电子,所以,硅的化学性质不活泼。主要形成四价的化合物。硅是一种亲氧元素，在自然界它总是与氧相互化合。所以在氧化气氛包围的地球上，硅主要以熔点很高的

氧化物及硅酸盐的形式存在。

［思考］常温下，单质碳、硅的化学性质都不活泼，为什么碳在自然界中有稳定的单质（金刚石）存在，而硅却没有，说明了什么？

单质硅的化学性质虽然稳定，但硅是一种亲氧元素，硅原子和氧原子的结合非常牢固，形成的二氧化硅或硅酸盐中的硅氧化学键非常牢固，硅氧键一旦形成就很难被破坏，所以，自然界中硅都是以二氧化硅或硅酸盐的形式存在，没有游离态的硅。

3.比较碳和硅的化学性质：

4.二氧化硅(SiO₂ )<silicon dioxide>

(1) 存在

SiO₂ 是硅的重要化合物。地球上存在的天然二氧化硅约占地壳质量的12％，其存在形态有结晶形和无定形两大类，通称硅石。

［投影］并展示水晶、玛瑙、石英坩埚、一段光缆

水晶是自然界中六方柱状的透明晶体，玛瑙的成分也是SiO₂，它们除了一些常见的可作饰物等用途外，SiO₂ 在工业上用途也非学广泛，例如，以石英为材料而制成的纤维在电信行业的应用等。

(2) 用途

［投影小结］

①、制光导纤维②、石英玻璃制化学仪器③、石英表、石英钟④、水晶制光学仪器和工艺品

⑤、玛瑙制精密轴承和装饰品

结合已有的关于水晶、沙子主要成分也是SiO₂ 的知识，思考一下，SiO₂的物理性质有哪些，注意与CO₂进行比较研究

(3) 物理性质：熔点高，硬度大的固体、不溶于水，纯净的SiO₂ 晶体无色透明

［思考］为什么SiO₂与CO₂的性质上有着这么大的差别呢？

主要取决于结构的不同。CO₂是C与O通过化学键所连接的分子结构，而SiO₂ 是Si—O四面体结构

［投影］硅氧四面体结构

[SiO₄]四面体：每1个Si原子周围结合4个O原子，Si在中心,O在四个顶角. 同时每1个O原子周围结合2个Si原子相结合。二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为2：1,通常用SiO₂ 来表示二氧化硅的组成. 

(4) 结构：空间网状结构

［讲］我们说，结构决定性质，SiO₂ 的网状结构不仅决定了其物理性质的特殊性，还决定了其化学性质的稳定性。

(5) 化学性质：稳定，不活泼

1 具有酸性氧化物的性质：(不溶于水且不和水反应)

与强碱反应 ：SiO₂+2NaOH==Na₂SiO₃+H₂O

与碱性氧化物反应：SiO₂+CaOCaSiO₃ 

SiO₂除了具有酸性氧化物的通用性之外，还具有特性。比如酸性氧化物一般不与酸反应，而SiO₂却能与HF反应，这也是工业上雕刻玻璃的反应原理

2 与HF的反应：SiO₂+4HF==SiF₄ ↑+2H₂O

除此之外，SiO₂在制水泥、玻璃、纯硅时，还有一些特殊反应

［投影小结］

3 弱氧化性：SiO₂+2CSi +2CO↑   (工业上制粗硅)

4 与某些盐反应：Na₂CO₃+SiO₂Na₂SiO₃+CO₂↑

CaCO₃+SiO₂CaSiO₃+CO₂ ↑ (工业上制玻璃的主要反应)

［思考与交流］

（1）、实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？

HF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。

（2）、实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？

NaOH溶液能与玻璃中的SiO₂ 反应生成Na₂SiO₃ ，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。

5.SiO₂与CO₂在物理、化学性质方面有哪些相似性和不同之处

［投影总结］

练习巩固：见灯片。

第二课时：硅酸及硅酸盐