高中化学第四章非金属及其化合物41无机非金属材料的主角硅教案211801103114.docx

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高中化学第四章非金属及其化合物41无机非金属材料的主角硅教案211801103114

第二课时　硅酸盐、硅单质

三维目标

1．知识与技能

（1）初步了解硅酸盐的重要用途及组成；

（2）了解硅的物理性质和重要用途；

（3）掌握硅酸钠的化学性质。

2．过程与方法

（1）通过对水泥工业的教学，培养学生的自学能力和表达能力；

（2）活动探究，通过硅与碳的比较，培养学生的归纳能力、比较能力。

3．情感态度与价值观

（1）通过对玻璃、陶瓷工业现状及前景的介绍，激发学生学习化学的兴趣；

（2）通过对硅及其用途的学习使学生热爱自然、热爱化学。

教学重点

硅酸盐的重要用途及组成，硅的物理性质和重要用途，硅酸钠的化学性质。

教学难点

硅酸盐的重要用途及组成，硅的物理性质和重要用途。

课前准备

所用投影的PPT:

①自然界中的一些硅酸盐的图片及其化学式；

②学生探究实验步骤；

③传统的三大硅酸盐产品；

④金刚砂、硅橡胶、分子筛的图片；

⑤单晶硅图片；

⑥单晶硅的用途。

所用的实验用品：

试管、玻璃棒、酒精灯、试管夹、滴管、pH试纸、布条、硅酸钠、稀盐酸、氢氧化钠溶液、硅酸钠饱和溶液、蒸馏水。

导入新课

硅元素在地壳中的含量仅次于氧元素，但在自然界中找不到游离态的硅，硅元素在自然界中主要是以硅酸盐和二氧化硅的形式存在，地壳质量的92%是硅酸盐和二氧化硅。

上节课我们学习了有关二氧化硅的知识，这节课我们一起来学习有关硅酸盐的知识。

推进新课

[分析]硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称，在自然界中分布极广。

硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质，大多数不溶于水，化学性质很稳定。

[投影]①自然界中的一些硅酸盐的图片及其化学式

[分析]硅酸盐的种类多、结构很复杂，其组成表示方法一般有两种：

（1）盐化学式法，如：

硅酸钠Na2SiO3、硅酸钙CaSiO3等。

此法一般用于组成较简单的硅酸盐。

（2）盐氧化物法：

对于复杂的硅酸盐，通常可用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示其组成。

金属氧化物写在前面，再写SiO2，最后写H2O；氧化物之间用“·”隔开。

例如：

Na2SiO3写成Na2O·SiO2；Al2（Si2O5）（OH）4写成Al2O3·2SiO2·2H2O。

盐氧化物书写原则：

①各元素写成相应的氧化物，元素的价态保持不变。

②顺序按先金属后非金属，金属元素中按金属活动性顺序依次排列，中间用“·”间隔。

③注意改写后应与原来化学式中的原子个数比相同。

一、硅酸盐

1．硅酸盐组成的表示方法

（1）盐化学式法

如：

硅酸钠：

Na2SiO3、硅酸钙：

CaSiO3，此法用于组成简单的硅酸盐

（2）盐氧化物法

如：

锆石：

ZrO2·SiO2　　　　　　红柱石：

Al2O3·SiO2

镁橄榄石：

2MgO·SiO2　　　　　钙铝石榴子石：

3CaO·Al2O3·3SiO2

[练习]把下列式子改写成氧化物的形式。

1．蛇纹石：

H4Mg3Si2O9

2．钙长石：

CaAl2SiO6

3．石棉：

CaMg3Si4O12

4．长石：

KAlSi3O8

5．普通玻璃：

CaNa2Si6O14

6．黏土：

Al2（Si2O5）（OH）4

答案：

1．蛇纹石：

H4Mg3Si2O9写成3MgO·2SiO2·2H2O

2．钙长石：

CaAl2SiO6写成CaO·Al2O3·SiO2

3．石棉：

CaMg3Si4O12写成CaO·3MgO·4SiO2

4．长石：

KAlSi3O8写成K2O·Al2O3·6SiO2

5．普通玻璃：

CaNa2Si6O14写成CaO·Na2O·6SiO2

6．黏土：

Al2（Si2O5）（OH）4写成Al2O3·2SiO2·2H2O

[过渡]在硅酸盐中，硅酸钠是极少数可溶于水的一种，用途广泛，下面我们先来学习它的有关知识。

[展示]硅酸钠试剂

[投影]②学生探究实验步骤

[探究实验1]实验步骤：

①将硅酸钠加水溶解，并检验其溶液的酸碱性；②向硅酸钠溶液中通二氧化碳或滴加稀盐酸；③再向②中滴加氢氧化钠溶液。

现象：

硅酸钠溶于水，滴加酚酞后溶液呈红色；向其中通入二氧化碳或滴加稀盐酸后都产生白色沉淀；再加氢氧化钠溶液，沉淀溶解。

分析：

（1）硅酸钠能溶于水，水溶液呈碱性；

（2）由于硅酸是一种弱酸，酸性比碳酸还要弱，利用强酸制弱酸的原理，所以向溶液中通二氧化碳或滴加稀盐酸有白色沉淀——硅酸生成，化学反应方程式为：

Na2SiO3＋H2O＋CO2===H2SiO3↓＋Na2CO3

Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl

（3）硅酸是一种酸，与碱可以发生酸碱中和反应，生成可溶于水的硅酸钠，所以在沉淀中加入氢氧化钠溶液，沉淀溶解，反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。

[总结]硅酸钠是一种无色晶体，熔点高，易溶于水，是硅酸盐中少数几种溶于水中的盐，水溶液俗称“水玻璃”。

硅酸钠的水溶液呈碱性，水溶液在空气中易变质，硅酸钠溶液中通入二氧化碳有沉淀生成，根据强酸制弱酸的原理说明H2CO3的酸性强于H2SiO3。

由于盐酸的酸性强于硅酸，所以盐酸也可以和水玻璃反应生成硅酸沉淀。

2．硅酸钠

（1）硅酸钠是一种无色晶体，熔点高

（2）Na2SiO3易溶于水，溶液呈碱性，它的水溶液俗称“水玻璃”，

（3）Na2SiO3溶液易吸收空气中的CO2，化学方程式为Na2SiO3＋H2O＋CO2===H2SiO3↓＋Na2CO3，因此Na2SiO3溶液要密封保存

[投影]③学生探究实验步骤

[探究实验2]实验步骤：

取两条一样的干燥布条，分别放入蒸馏水和硅酸钠饱和溶液中，使之充分吸湿、浸透，取出稍沥干后，分别放置在酒精灯外焰处。

观察现象。

现象：

在硅酸钠溶液中浸泡并沥干的布条不燃烧。

分析：

在硅酸钠溶液中浸泡并沥干的布条不燃烧，说明用水玻璃浸泡过后的物质可以防火。

[总结]硅酸钠用途很广，建筑工业和造纸工业用它作黏合剂。

木材织物用水玻璃浸泡过后既防腐又不易着火。

4用途：

建筑工业和造纸工业用它作黏合剂，木材或织物用水玻璃浸泡后既防腐又不易着火。

[投影]④传统的三大硅酸盐产品

[过渡]玻璃、水泥、陶瓷是传统的三大硅酸盐产品，即传统材料。

中国的瓷器更是驰名世界，英文的“中国”（China）一词又指“瓷器”，这反映了在西方人眼中中国作为“瓷器故乡”的形象。

那么，这三大硅酸盐产品是如何生产的呢？

生产它们的原料分别是什么呢？

请同学们阅读教材相关内容进行总结。

[总结]陶瓷的制备是将黏土去除杂质后，加水混匀，制成所需形状的坯件，再经过高温烧制就得到陶瓷产品。

在高温烧制时，坯件中的原料发生了一系列复杂的物理变化和化学变化。

水泥产品的主要成分是2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、3CaO·Al2O3，工业上是以黏土（主要成分为铝硅酸盐）、石灰石为主要原料，在水泥回转窑中高温煅烧后，再加入适量的石膏，磨成细粉，就得到普通的硅酸盐水泥。

生产过程中加入石膏的作用是调节水泥的硬化速度。

普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2，普通玻璃是将石灰石、纯碱、石英在玻璃熔炉中高温熔融制得。

3．硅酸盐产品

（1）水泥

主要成分：

2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、3CaO·Al2O3。

制造原料：

黏土（SiO2）、石灰石、石膏（适量）（注意：

生产过程中加入石膏的作用是调节水泥的硬化速度）。

主要设备：

水泥回转窑。

生产条件：

高温煅烧。

产品成分：

复杂，主要是硅酸盐。

制造原料：

黏土、石英砂。

成分：

Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。

制造原料：

纯碱、石灰石、石英（SiO2）。

主要设备：

玻璃熔炉。

生产条件：

高温熔融。

[分析]玻璃、水泥、陶瓷生产的共同点：

都在高温下，发生了复杂的物理和化学变化。

原料物质都有含硅元素，产品都含硅酸盐，且都是混合物。

此外，化学家还制成了其他一些具有特殊功能的含硅的物质。

例如，硅与碳的化合物碳化硅（俗称金刚砂），具有金刚石结构，硬度很大，可作砂纸、砂轮的磨料；人工合成的硅橡胶是目前最好的既耐高温又耐低温的橡胶，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等；人工合成的分子筛，主要作吸附剂和催化剂等。

[投影]⑤金刚砂、硅橡胶、分子筛的图片

[过渡]虽然硅的化合物随处可见，而且远古时期人类就已经开始加工和使用陶瓷，但硅的单质直到18世纪上半叶才由化学家制备出来。

下面我们就一起来认识一下硅单质。

二、硅单质

1．硅单质的物理性质

[分析]与碳相似，硅单质有晶体硅和无定形体两种，硅晶体中每个Si原子都是以4个共价键和另外4个Si原子相连，形成空间正四面体的立体网状结构，类似于金刚石的结构。

[提问]结构决定性质，请同学们根据硅的结构来推测单质硅有什么性质？

[回答]单质硅熔点高、硬度大。

[投影]⑥单晶硅图片

[总结]灰黑色、有金属光泽，硬而脆的固体，熔、沸点高。

硅在元素周期表中处于金属与非金属的过渡位置，晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。

2．单质硅的化学性质

（1）常温下，硅的化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其他物质起反应，如：

O2、Cl2、H2SO4、HNO3等。

Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑　Si＋2F2===SiF4

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑

（2）加热的条件下，硅能跟一些非金属反应。

Si＋O2

SiO2　Si＋2Cl2

SiCl4　Si＋C

SiC

[设问]从20世纪中叶开始，硅成了信息技术的关键材料，那单质硅能用做什么呢？

[投影]⑦单晶硅的用途

高纯的单晶硅是重要的半导体材料，可做成太阳能电池，在开发能源方面是一种很有前途的材料。

另外，广泛应用的二极管、三极管、晶闸管和各种集成电路（包括我们计算机内的芯片和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、集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件；

（2）制造太阳能电池；

（3）制造合金，如含硅4%（质量分数）的钢导磁性好制造变压器的铁芯；含硅15%（质量分数）的钢有良好的耐酸性等。

课堂小结

这节课我们主要学习了硅单质的结构、性质及用途和硅酸盐的知识，通过学习，我们了解到硅及其化合物在社会发展和人类文明进步历程中充当了一个非常重要的角色，可以说目前全球信息的流通、电子工业的发展都离不开硅；我们也相信随着科技的发展，它们还会为人类文明的进步发挥更多的作用，创造更多的奇迹。

希望同学们努力学习，掌握更多的科学知识，开发、研究硅这古老而又年轻的元素在更多方面的应用。

硅酸盐、硅单质

一、硅酸盐

1．硅酸盐组成的表示方法

（1）盐化学式法

如：

硅酸钠：

Na2SiO3、硅酸钙：

CaSiO3，此法用于组成简单的硅酸盐

（2）盐氧化物法

如：

锆石：

ZrO2·SiO2　　　　　　红柱石：

Al2O3·SiO2

镁橄榄石：

2MgO·SiO2　　　　　钙铝石榴子石：

3CaO·Al2O3·3SiO2

2．硅酸钠

（1）硅酸钠是一种无色晶体，熔点高

（2）Na2SiO3易溶于水，溶液呈碱性，它的水溶液俗称“水玻璃”

（3）Na2SiO3溶液易吸收空气中的CO2，化学方程式为Na2SiO3＋H2O＋CO2===H2SiO3↓＋Na2CO3，因此Na2SiO3溶液要密封保存

（4）用途：

建筑工业和造纸工业用它作黏合剂，木材或织物用水玻璃浸泡后既防腐又不易着火

3．硅酸盐产品

（1）水泥

（2）陶瓷

（3）玻璃

二、硅单质

1．硅单质的物理性质

单质硅的物理性质：

灰黑色、有金属光泽，硬而脆的固体，熔、沸点高，是良好的半导体

2．单质硅的化学性质

（1）常温下，硅的化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其他物质起反应，如：

O2、Cl2、H2SO4、HNO3等

（2）加热的条件下，硅能跟一些非金属反应

3．硅的主要用途

（1）用于制造硅芯片、集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件

（2）制造太阳能电池

（3）制造合金

1．给下列溶液中通入CO2气体，不可能产生沉淀的是（　　）

A．氯化钙和硝酸钡的混合液B．稀的水玻璃

C．偏铝酸钠溶液D．碳酸钠饱和溶液

2．在炼铁、制玻璃、制水泥三种工业生产中，都需要的原料是（　　）

A．生石灰B．石灰石

C．石英D．纯碱

3．应用带橡胶塞的玻璃试剂瓶保存的溶液是（　　）

A．烧碱溶液B．硫酸钠溶液

C．水玻璃溶液D．浓硫酸

4．氢氧化铝胶囊、碳酸氢钠粉剂因能同胃酸反应，曾用来治疗胃酸过多。

三硅酸镁（2MgO·3SiO2·nH2O）和氢氧化铝胶囊一样，在治疗时作用持久。

试写出三硅酸镁同胃酸的主要成分作用的离子方程式____________________。

5．在自然界里，硅存在于地壳的各种矿物和岩石中的形式是（　　）

A．晶体硅B．二氧化硅

C．硅酸D．硅酸盐

[答案]1．A　2．B　3．AC

4．2MgO·3SiO2·nH2O＋4H＋===2Mg2＋＋3SiO2＋（n＋2）H2O

5．D

本节课在知识的理解上，亦无难点。

难的是如何真正激发学生的学习兴趣，并让其产生强烈的求知欲。

若单纯地让学生去自学这部分知识，学生很容易读懂，但日后的印象会如过眼烟云；若只是教师讲述，学生会有单调乏味之感。

基于以上考虑，采取图像展示、学生自学、归纳、教师激疑引导、实验问答等教学方法，激活了学生思维。

如通过演示实验，可让学生有较深的印象。

另外，在课堂上还补充了一些课外知识，扩大了学生的知识面，使学生愉快地接受了所学知识，学生的学习兴趣得到了提升，学生在课堂上的主体性得到了较好的体现。

1．分子筛的简介

许多硅酸盐具有多孔的结构，孔的大小与一般分子的大小相当，而且组成不同的硅酸盐的孔径不同。

因此这些硅酸盐具有筛分分子的作用，人们把它们称为分子筛（molecularsieve）。

如组成为Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O的铝硅酸盐，其中有许多笼状空穴和通道。

这种结构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进入空穴的分子。

因此它可用于吸水、分离气体、吸附有毒气体等。

分子筛常用于分离、提纯气体或液体混合物。

作干燥剂、离子交换剂、催化剂、催化剂载体，用于净化水、净化空气、防毒器械、食品保鲜、电子产品处理、石油化工等方面。

如：

氮碳分子筛作为一种新型吸附剂产品，其主要作用是分离空气富集氮气；能广泛应用于食品、水果、粮食、茶叶、中药材的保鲜和贮存，金属热处理的氮基处理、电子产品处理、煤矿灭火、石油化工等方面。

如：

3A型分子筛，是指A型晶体结构的钾型，能吸附临界直径不大于3A的分子，典型化学组成2/3K2O·1/3Na2O·Al2O3·2SiO2·4.5H2O。

该产品主要用途为化工、石油、医药、中空玻璃等工业用干燥剂，用于不饱和烃物料，如裂解气、丁二烯、丙烯、乙炔等工业脱水，也可用于气体、极性液体和天然气的干燥。

由于3A型的孔径较小，在吸附过程中能有效控制其他分子的共吸附。

又如5A分子筛：

5A分子筛的孔径为5A，能吸附小于该孔径的任何分子，主要应用于正异构烃分离、变压吸附分离及水和二氧化碳的共吸附，基于5A分子筛的工业应用特点，所以5A分子筛选择吸附性高、吸附速度快，特别适用于变压吸附，可适应各种大小的制氧、制氢、制二氧化碳等气体变压吸附装置，是变压吸附行业中的精品。

2．水玻璃的应用

水玻璃为硅酸钠液体状态，南方多称水玻璃，北方多称泡花碱。

液体硅酸钠无色、略带色的透明或半透明黏稠状液体。

固体硅酸钠为无色、略带色的透明或半透明玻璃块状体。

形态分为液体、固体、水淬三种。

理论上称这类物质为“胶体”。

水玻璃的应用：

（1）涂刷材料表面，提高抗风化能力

水玻璃溶液涂刷或浸渍材料后，能渗入缝隙和孔隙中，固化的硅凝胶能堵塞毛细孔通道，提高材料的密度和强度，从而提高材料的抗风化能力。

但水玻璃不得用来涂刷或浸渍石膏制品。

因为水玻璃与石膏反应生成硫酸钠（Na2SO4），在制品孔隙内结晶膨胀，导致石膏制品开裂破坏。

（2）加固土壤

将水玻璃与氯化钙溶液交替注入土壤中，两种溶液迅速反应生成硅胶和硅酸钙凝胶，起到胶结和填充孔隙的作用，使土壤的强度和承载能力提高。

常用于粉土、沙土和填土的地基加固，称为双液注浆。

（3）配制速凝防水剂

水玻璃可与多种矾配制成速凝防水剂，用于堵漏、填缝等局部抢修。

这种多矾防水剂的凝结速度很快，一般为几分钟，其中四矾防水剂不超过1min，故工地上使用时必须做到即配即用。

多矾防水剂常用胆矾（硫酸铜晶体）、红矾（重铬酸钾晶体）、明矾（也称白矾，硫酸铝钾晶体）、紫矾等四种矾。

（4）配制耐酸胶凝、耐酸砂浆和耐酸混凝土

耐酸胶凝是用水玻璃和耐酸粉料（常用石英粉）配制而成。

与耐酸砂浆和混凝土一样，主要用于有耐酸要求的工程。

如硫酸池等。

（5）配制耐热胶凝、耐热砂浆和耐热混凝土

水玻璃胶凝主要用于耐火材料的砌筑和修补。

水玻璃耐热砂浆和混凝土主要用于高炉基础和其他有耐热要求的结构部位。

（6）防腐工程应用

改性水玻璃耐酸泥是耐酸腐蚀重要材料，主要特性是耐酸、耐温、密实抗渗、价格低廉、使用方便。

可拌和成耐酸胶泥、耐酸砂浆和耐酸混凝土，适用于化工、冶金、电力、煤炭、纺织等行业的各种结构的防腐蚀工程，是防酸建筑结构贮酸池、耐酸地坪以及耐酸表面砌筑的理想材料。