高中化学《硅和二氧化硅》的教案设计

时间：2021-08-31

　　教学目标

　　1.使学生了解硅的结构特点、性质、用途、存在及制备方法。

　　2.使学生了解二氧化硅的存在、性质和用途。

　　3.培养学生对知识归纳、总结和探究的能力。

教学重点

　　硅和二氧化硅的化学性质

教学难点

　　培养学生对知识的归纳、总结和探究的能力

课时安排

　　一课时

教学方法

　　引导、探究、对比、练习

教学用具

　　投影仪

　　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

教学过程

　　［引言］请大家看课本彩图中的硅单质照片。

　　［师］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。本节课，我们就来学习硅及其化合物的有关知识。

　　［板书］第二节硅和二氧化硅

　　［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］一、硅（Si）

　　［师］请大家阅读课本P145的第一、二自然段，总结出硅的存在形态、结构特点、物理性质等方面的内容。

　　［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，硅单质的化学性质又有哪些？其与同主族的碳相比，是否一样？下面，我们就来学习这个问题。

　　［板书］（2）化学性质

　　［师］请大家根据初中所学知识回答，碳单质有哪些化学性质？

　　［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P146第一自然段进行总结。

　　［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+2H2↑

　　Si+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］物质的用途由其性质决定，硅的这些性质决定了硅什么样的用途呢？请大家阅读课本P146第二自然段和课本P147选学内容“硅的用途”。

　　［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］硅在常温下性质稳定，但在受热条件下可与氧气反应生成二氧化硅。接下来，我们来学习硅的最高价氧化物——二氧化硅的性质。

　　［板书］二、二氧化硅（SiO2）

　　［问］二氧化硅与二氧化碳都是第ⅣA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，二氧化碳所具有的物理性质二氧化硅是否具有呢？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］

　　注：［上表答案］

　　不反应 CO2+H2O H2CO3

　　SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O 不反应

　　SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O CO2+2NaOH====Na2CO3+H2O

　　CO2+NaOH====NaHCO3

　　SiO2+CaO CaSiO3

　　CO2+Na2O====Na2CO3

　　SiO2+2C Si+2CO↑

　　CO2+C====2CO

　　［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。

　　［问题探究］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］因为玻璃中含有SiO2，SiO2是酸性氧化物，能和碱起反应，容易使玻璃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P148“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］三、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↓+2NaCl

　　Na2SiO3+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。硅酸在加热条件下会进一步失水得到二氧化硅。

　　［板书］ H4SiO4====H2SiO3+H2O H2SiO3 SiO2+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］四、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。浸过水玻璃的鲜蛋可以长期保存。水玻璃还用作软水剂，洗涤剂和制肥皂的填料。它也是制硅胶和分子筛的原料。

　　硅酸盐的种类很多，结构也很复杂，通常可用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示其组成。书写时，应把金属元素的氧化物写在前面，若有多种金属元素，按活泼性依次减弱的顺序写出其氧化物，然后写SiO2，最后写H2O，且各氧化物之间要用“”隔开。如：

　　［板书并讲解］ Na2SiO3 Na2OSiO2

　　Al2（Si2O5）（OH）4 Al2O32SiO22H2O

　　［师］粘土的主要成分也是硅酸盐，是制造陶瓷器的主要原料。

　　［投影练习］阅读下文，完成1~3题。

　　硅晶体结构类似于金刚石，低温下单质硅不活泼，与空气、H2O、酸均无作用，但可与强碱和强氧化剂在适当温度下作用，如硅能与卤素在加热或高温下生成四卤化硅，高价态硅的化合物可在高温下被碳、镁、氢等还原剂还原成单质硅；工业上也可用硅石与焦炭在高温下制金刚砂（SiC），某高纯硅炼制厂利用食盐、石英、水、焦炭为原料制取用作半导体材料的高纯硅。

　　1.假设根据每步反应建立一个生产车间，该高纯硅厂家需要几个车间

　　A.3个 B.4个

　　C.5个 D.6个

　　2.生产原理中没有涉及到的反应是

　　A.置换反应 B.复分解反应

　　C.化合反应 D.电解反应

　　3.该厂家不采用石英与焦炭直接制高纯硅的主要原因是

　　A.产量太低 B.产品中含SiC

　　C.产品中含有过量的硅石和焦炭 D.耗能太大

　　答案：1.C 2.B 3.B

　　4.Al2O32SiO22H2O是

　　A.混合物 B.硅酸盐