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2019-2020年魯科版高中化學必修1第4章材料家族中的元素 第1節(jié) 硅 無機非金屬材料第1課時教學設計2 【教學目標】 知識與技能： 1、了解硅在自然界的存在、含量 2、了解單質硅的主要性質、工業(yè)制法和主要用途。 3、初步培養(yǎng)學生自主查閱資料的能力和閱讀能力 過程與方法： 1、自主學習 2、通過碳與硅的新舊知識的比較，設疑引導、變疑為導、變教為導的思路教學法。 情感、態(tài)度與價值觀 1、使學生掌握學習元素化合物知識的一般規(guī)律和正確方法 2、使學生體會組成材料的物質的性質與材料的性能的密切關系，認識新材料的開發(fā)對人類生產、生活的重要影響，學會關注與化學有關的社會熱點問題，激發(fā)他們學習化學的熱情。 【教學過程】 你能在沙子與計算機之間、沙子與計算機光通信之間建立起某種聯(lián)系嗎？（提示：沙子的主要成分是SiO2） 一、半導體材料與單質硅 ［交流研討］ 你知道的半導體材料有哪些？非金屬單質有哪些相似的化學性質？ ［學生回答、教師總結］除硅外，常見的半導體材料還有鍺、銦等。大多數(shù)非金屬單質一般可與金屬、氧氣、氫氣、堿等物質反應。 ［聯(lián)想質疑］ 硅作為非金屬，它具有這些性質嗎？ 學生思考回答 培養(yǎng)學生思考總結歸納的能力 ［閱讀總結］ 閱讀課本總結歸納1。單質硅的物理性質 學生總結回答 灰黑色，有金屬光澤，硬而脆的固體，熔點很高（1410） 硅的化學性質 2．硅的化學性質：常溫下不活潑，除氟氣、氫氟酸和強堿外，一般不與其他物質反應。加熱條件下，可與氧氣反應。 Si + O2 加熱===== SiO2 Si + 2F2 === SiF4 Si + 4HF === SiF4 ↑+ 2H2↑ 學生 思考回答。。。 培養(yǎng)學生思考總結歸納的能力 硅的工業(yè)制法 3．硅的工業(yè)制法： 工業(yè)上，用焦炭在電爐中還原SiO2得到含有少量雜質的粗硅后再提純。 SiO2 + 2C Si + 2CO↑ ［交流研討］什么原因促使硅成為一種重要的半導體材料？硅除作為半導體材料外，還有哪些用途？ ［學生回答、教師總結］硅成為一種重要的半導體材料的原因是：原料豐富易得，價格低，常溫下化學性質穩(wěn)定。硅除作為半導體材料用來制集成電路、晶體管、硅整流器外，還可制造太陽能電池，硅合金等。硅合金用于制造變壓器、耐酸設備等。 二、二氧化硅與光導纖維 交流研討 閱讀教材P108頁，說明在自然界哪些常見物質的主要成分是二氧化硅？從物質分類角度來看，二氧化硅屬于哪類物質？可能具有那些性質？在實驗室，為什么盛裝堿液的試劑瓶不能用玻璃塞？ ［學生回答、教師總結］自然界常見的沙子、鵝卵石、石英、水晶的主要成分是二氧化硅，純凈的二氧化硅為無色透明的晶體，不溶于水，熔點高、硬度大。它屬于非金屬氧化物、酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性?？膳c堿性氧化物、堿反應，還可與氫氟酸反應。 ［講解、板書］ 1。物理性質 2．化學性質 SiO2 + 2NaOH == Na2SiO3 + H2O SiO2 + C Si+CO2 SiO2 + CaO CaSiO3 SiO2 + 4HF == SiF4↑ + 2H2O 歸納總結 ［交流研討］ 過去，人們曾應用CaF2粉末和濃H2SO4的混合物涂抹到玻璃上刻字作畫，請說明原理。 ［提問］1992年在美國曾提出一項關于通信方面的計劃，大家知道是什么嗎？ ［講述］是“信息高速公路”計劃，而光纖、光纜是信息高速公路的基石。 光纖通信發(fā)展很快，全世界總量超過1億公里。我國在這方面起步并不算晚，1995年一年鋪設了130萬公里，全國已形成八橫八縱的干線網(wǎng)。拉薩和大多數(shù)縣城已經(jīng)鋪設了光纜。中日、中美海底光纜已經(jīng)開通。另外，光纖還用于醫(yī)學等許多方面，如腸鏡、胃鏡。甚至可以利用內窺鏡觀察到心臟內部的情況。 ［交流研討］閱讀教材，說明二氧化硅的用途。 3。二氧化硅的用途：制造電子元器件、光學儀器、精密儀器軸承、光導纖維、石英鐘、工藝品、玻璃等。 三、硅及其化合物的特性 物質 一般規(guī)律 硅及其化合物特性 Si 硅還原性大于碳 SiO2＋2CSi＋2CO↑ 非金屬單質與強堿溶液一般不產生H2 硅可與強堿反應產生H2 非金屬一般不與非氧化性酸反應 Si + 4HF == SiF4↑+2H2 一般非金屬單質為絕緣體 硅為半導體 SiO2 酸性氧化物一般與水反應生成相應酸 SiO2不溶于水不與水反應 酸性氧化物一般不與酸發(fā)生復分解反應 SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O “較強酸制較弱酸”是復分解反應的一個規(guī)律，H2CO3酸性大于H2SiO3 以下反應不能說明酸性強弱Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑ H2SiO3 無機酸一般易溶于水 硅酸難溶于水 硅酸鹽 大多數(shù)硅酸鹽難溶于水 常見的可溶性硅酸鹽為Na2Si03 四、光纖 1.光纖是光導纖維的簡寫，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導工具。傳輸原理是光的全反射。 2. 通常光纖與光纜兩個名詞會被混淆。多數(shù)光纖在使用前必須由幾層保護結構包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。光纖外層的保護層和絕緣層可防止周圍環(huán)境對光纖的傷害，如水、火、電擊等。光纜分為：光纖，緩沖層及披覆。光纖和同軸電纜相似，只是沒有網(wǎng)狀屏蔽層。中心是光傳播的玻璃芯。 3. 光纖發(fā)展史 1870年的一天，英國物理學家丁達爾到皇家學會的演講廳講光的全反射原理，他做了一個簡單的實驗：在裝滿水的木桶上鉆個孔，然后用燈從桶上邊把水照亮。結果使觀眾們大吃一驚。人們看到，放光的水從水桶的小孔里流了出來，水流彎曲，光線也跟著彎曲，光居然被彎彎曲曲的水俘獲了。 人們曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，光能沿著從酒桶中噴出的細酒流傳輸；人們還發(fā)現(xiàn)，光能順著彎曲的玻璃棒光纖前進。 這是為什么呢？難道光線不再直進了嗎？這些現(xiàn)象引起了丁達爾的注意，經(jīng)過他的研究，發(fā)現(xiàn)這是全反射的作用，即光從水中射向空氣，當入射角大于某一角度時，折射光線消失，全部光線都反射回水中。表面上看，光好像在水流中彎曲前進。 后來人們造出一種透明度很高、粗細像蜘蛛絲一樣的玻璃絲──玻璃纖維，當光線以合適的角度射入玻璃纖維時，光就沿著彎彎曲曲的玻璃纖維前進。由于這種纖維能夠用來傳輸光線，所以稱它為光導纖維。 4.光導纖維是由兩層折射率不同的玻璃組成。內層為光內芯，直徑在幾微米至幾十微米，外層的直徑0.1～0.2mm。一般內芯玻璃的折射率比外層玻璃大1%。根據(jù)光的折射和全反射原理,當光線射到內芯和外層界面的角度大于產生全反射的臨界角時，光線透不過界面，全部反射。 五、檢測題 1. 有科學家提出硅是“21世紀的能源”“未來的石油”的觀點。假如硅作為一種普遍使用的新型能源被開發(fā)利用，下列關于其有利因素的說法中，你認為不妥的是(　　) A．便于運輸、儲存，從安全角度考慮，硅是最佳的燃料 B．自然界的含硅化合物易開采 C．硅燃燒放出的熱量大，燃燒產物對環(huán)境污染程度低且容易有效控制 D．自然界中存在大量的單質硅 2. 目前，我國正在大力建設高質量的寬帶光纖通信網(wǎng)絡，即信息高速公路。光纖通信所使用的光纜，其主要部件為光導纖維。下列說法正確的是…(　　) ①制造光導纖維的主要原料是CaCO3 ②制造光導纖維的主要原料是SiO2 ③光導纖維傳遞光信號的基本物理原理是光的全反射 ④光導纖維傳遞光信號的基本物理原理是光的折射 A．①④ B．②③ C．①③ D．②④ 3. 列離子方程式書寫不正確的是(　　) A．往NaOH溶液中加入過量CO2：CO2＋OH－＝HCO B．單質Si與氫氟酸反應：Si＋4HF＝2H2↑＋SiF4↑ C．石英砂與燒堿反應制水玻璃：SiO2＋2OH－＝SiO＋H2O D．往水玻璃中通入二氧化碳：Na2SiO3＋H2O＋CO2＝H2SiO3↓＋CO＋2Na＋ 4. 將2.8 g硅粉與2.3 g鈉同時放入足量水中，采用恰當?shù)姆椒ㄊ占磻^程中產生的氣體(全部收集)，這些氣體在標準狀況下的體積為(　　) A．1.12 L B．4.48 L C．5.6 L D．3.36 L 5. 金剛石、SiC具有優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕特性，應用廣泛。 (1)碳與短周期元素Q的單質化合僅能生成兩種常見氣態(tài)化合物，其中一種化合物R為非極性分子。碳元素在周期表中的位置是______，Q是______。 (2)一定條件下，Na還原CCl4可制備金剛石，反應結束冷卻至室溫后，回收其中的CCl4的實驗操作名稱為_____ _，除去粗產品中少量鈉的試劑為______。 (3)碳還原SiO2制SiC，其粗產品中雜質為Si和SiO2，現(xiàn)將20.0 g SiC粗產品加入到過量的NaOH溶液中充分反應，收集到0.1 mol氫氣，過濾得SiC固體11.4 g，濾液稀釋到1 L。生成氫氣的離子方程式為________________________，硅酸鹽的物質的量濃度為______。 6. 晶體硅是一種重要的非金屬材料，制備純硅的主要步驟如下： ①高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅 ②粗硅與干燥HCl氣體反應制得SiHCl3：Si＋3HClSiHCl3＋H2 ③SiHCl3與過量H2在1 000～1 100 ℃反應制得純硅。 已知SiHCl3能與H2O強烈反應，在空氣中易自燃。 請回答下列問題： (1)第①步制備粗硅的化學反應方程式為__________________。 (2)粗硅與HCl反應完全后，經(jīng)冷凝得到的SiHCl3(沸點33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸點57.6 ℃)和HCl(沸點－84.7 ℃)，提純SiHCl3采用的方法為______________。 (3)用SiHCl3與過量H2反應制備純硅的裝置如下(熱源及夾持裝置略去)： ①裝置B中的試劑是__________。裝置C中的燒瓶需要加熱，其目的是___________。 ②反應一段時間后，裝置D中觀察到的現(xiàn)象是______________，裝置D不能采用普通玻璃管的原因是_________________，裝置D中發(fā)生反應的化學方程式為_________________。 ③為保證制備純硅實驗的成功，操作的關鍵是檢查實驗裝置的氣密性，控制好反應溫度以及______________________________。 ④為鑒定產品硅中是否含微量鐵單質，將試樣用稀鹽酸溶解，取上層清液后需再加入的試劑(填寫字母代號)是_________。 a．碘水 B．氯水 c．NaOH溶液 D．KSCN溶液 e．Na2SO3溶液 參考答案 1. 【解析】有些燃料，如氫氣具有發(fā)熱量大、無污染等優(yōu)點，但從運輸、儲存角度就不如硅了，硅是固體，常溫下性質穩(wěn)定，是非常安全的；另外，硅在自然界中存在廣泛，硅的化合物易開采，其燃燒產物為SiO2，對環(huán)境污染程度低。但需注意的是，自然界沒有游離態(tài)的硅，因此，D是錯誤的。 【答案】D 2. 【解析】本題綜合考查了學生對新型無機非金屬材料的了解，以及物理光學的基本原理。光導纖維主要原料的化學成分是SiO2，而光導纖維傳遞光信號的基本原理則是光的全反射。 【答案】B 3. 【解析】往NaOH溶液中通入少量CO2，生成物是Na2CO3，通入過量的CO2時生成NaHCO3。硅常溫下不與酸反應，但與氫氟酸反應，HF是弱酸，所以離子方程式與化學方程式相同。石英砂的成分為SiO2，與燒堿反應生成鹽和水。Na2SiO3易溶于水，Na2SiO3電離生成Na＋和SiO。 【答案】D 4. 【解析】：2Na＋2H2O＝＝＝2NaOH＋H2↑ 223 g 2 mol 22.4 L 2.3 g 0.1 mol 1.12 L Si＋2NaOH＋H2O＝＝＝Na2SiO3＋2H2↑ 28 g　2 mol　　　　　　　　222.4 L 1．4 g　0.1 mol　　　　　　　 2.24 L 反應后硅有剩余，V(H2)＝1.12 L＋2.24 L＝3.36 L。 【答案】D 5. 【解析】(1)碳與Q元素形成氣態(tài)化合物，故Q為非金屬元素，又由于是常見的含碳化合物，易聯(lián)想為CO、CO2，且CO2為非極性分子。 (2)聯(lián)想高溫下4Na＋TiCl4===Ti＋4NaCl，故Na還原CCl4發(fā)生反應后生成金剛石、NaCl，其中只有CCl4為液態(tài)，其余均為固體，故可采用過濾的方法回收CCl4。粗產品中混有的金屬鈉，可利用其與乙醇或水反應除去。 (3)非金屬單質只有硅可與NaOH溶液反應放出H2，其化學方程式為Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑，將其改寫成離子方程式。m(Si)＝1.4 g，m(SiC)＝11.4 g，則m(SiO2)＝7.2 g，溶液中硅酸根離子的物質的量＝＋＝0.17 mol，c(SiO)＝＝0.17 molL－1。 【答案】(1)第二周期第ⅣA族　氧(或O) (2)過濾　水(或乙醇) (3)Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑　0.17 molL－1 6. 【解析】本題以粗硅提純?yōu)樾畔?，考查了化學方程式書寫、基本實驗操作和設計等知識。在實驗過程中需要注意以下幾點：①分離兩種沸點不同或差別較大的物質的時候可以采取分餾或蒸餾的方法。②H2在還原SiHCl3之前需要干燥。③H2還原SiHCl3需要在石英管中進行，在高溫下要考慮到玻璃的軟化。④鐵單質的檢驗是根據(jù)題意中的先轉化為了Fe3＋后再進行檢驗。 【答案】 (1)SiO2＋2CSi＋2CO↑　(2)分餾(或蒸餾)　(3)①濃硫酸　使滴入燒瓶中的SiHCl3汽化?、谟泄腆w生成　 在反應溫度下，普通玻璃會軟化 SiHCl3＋H2Si＋3HCl?、叟疟M裝置中的空氣?、躡d