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1、1含硅矿物和信息材料【学习目标】知识技能:1、了解硅在自然界中的存在形式,了解硅及其化合物(一二氧化硅为例)的重要性质,知道水泥、陶瓷、玻璃三大硅酸盐产品2、了解工业上高纯硅的制备方法,光导纤维的组成和作用3、学会用氧化物表示复杂的硅酸盐过程与方法1、 通过对自然界中存在的含硅化合物的学习,使学生了解硅元素在自然界的存在形式及硅酸盐的结构复杂性2、 通过探究性实验掌握硅酸钠的有关知识,学会将硅酸盐的化学式书写氧化物的形式的方法和技巧3、利用图片、模型、表格、视频、实物、实验及多媒体教学手段,增强直观性形象性情感态度价值观:了解硅、二氧化硅在信息技术、材料科学等领域的应用及其与人类文明发展的关系
2、。激发学生研究、开发新材料的意识。【教学重点】硅酸钠、单质硅、二氧化硅的性质;硅酸盐的氧化物形式的书写【教学难点】C,Si 元素单质及其重要化合物的主要性质及应用【教学流程】引入:同学们知道的跟硅有关的物质 硅的存在形式在地壳中含量为第二位,仅次于氧。在自然界中无游离态的硅,常见的有二氧化硅,硅酸盐等,他们广泛存在于各种矿物和岩石中。硅是构成矿物和岩石的主要成分。一、硅酸盐矿物与硅酸盐产品1、常见的硅酸盐产品:古代的陶瓷,砖瓦,现代的玻璃,水泥等。2、形形色色的硅酸盐(1)常见的硅酸盐矿物有锆石,红柱石,钙铝石榴子石,镁橄榄石等。2(2)硅酸盐种类多,结构复杂,其表示方法有两种:盐化学式法:如
3、:硅酸钠,硅酸钙 等,此法一般用于组成比较简单的硅酸盐。盐氧化物表示法:锆石(ZrSiO 4) 盐氧化物表示为: 红柱石(Al 2SiO5) ,盐氧化物表示为: 钙铝石榴子石(Ca 3Al2Si3O12) ,盐氧化物表示为: 镁橄榄石(Mg 2SiO4) ,盐氧化物表示为: 正长石(KAlSi 3O8) , 盐氧化物表示为: 青石棉(Na 2Fe5Si8H2O24) ,盐氧化物表示为: 【注意】3、 硅酸盐的性质(1)一般的硅酸盐热稳定性很高,难溶于水,易与酸反应。常见的易溶于水的硅酸盐主要有:硅酸钠,硅酸钾。(2)硅酸钠的性质I、硅酸钠俗称“泡花碱” ,其水溶液又叫水玻璃, 是建筑行业经常使
4、用的一种黏合剂,也就是一种矿物胶。还可用作木材,织物的防腐剂,防火剂,也可用于肥皂填料。II、化学性质:34、硅酸盐工业产品常见的硅酸盐工业产品有水泥,陶瓷,玻璃。(1)水泥主要原料:反应条件: 主要设备: 反应原理:主要成分:硅酸三钙(3CaOSiO 2),硅酸二钙(2CaOSiO 2) ,铝酸三钙(3CaOAl 2O3)主要性质:水泥具有水硬性;易被酸腐蚀。在制作水泥过程中加入石膏,加入石膏的作用:水泥,沙子和水的混合物叫水泥沙浆,水泥,沙子和碎石的混合物叫混凝土。混凝土常用钢筋做结构成为钢筋混凝土。(2)陶瓷陶瓷是陶器和瓷器的总称。陶瓷是以粘土为原料,经过与水混合,成型,干燥,烧结而发生
5、复杂的物理化学变化,冷却即得到陶瓷。陶瓷材料是人类应用最早的硅酸盐材料。(3)玻璃主要原料: 反应条件: 主要设备: 反应原理:普通玻璃的组成:Na 2OCaO6SiO2主要性质:无固定熔点;粗糙玻璃易于强碱反应,常温下玻璃易于 HF 反应:种类:普通玻璃,有色玻璃(加入 Co2O3呈蓝色,加入 Cu2O 呈红色) ;石英玻璃;光学玻璃;玻璃纤维;钢化玻璃,防弹玻璃等。4【拓展视野】分子筛的介绍(书上 P80 页)二、二氧化硅1、学生自学有关二氧化硅的性质 2、总结有关化学性质酸性氧化物的性质:特性(与 HF)反应:与盐的反应(玻璃工业):弱氧化性:(与 C 反应):2、二氧化硅的用途熔沸点高
6、(1710) ,硬度大导光能力强3、二氧化硅的存在二氧化硅有结晶形和无定形两种。天然的二氧化硅称硅石。如:石英,水晶,玛瑙,沙子中也含有小粒的 SiO2 晶体。硅藻土含有无定形二氧化硅,它的表面积大,吸附能力很强,可作吸附剂和催化剂的载体以及保温材料。5纯净的二氧化硅晶体呈无色二、信息材料(硅)1、硅的制备与提纯(自学书上内容)【问题 1】第一个方程式的意义【类比】Na+KCl=NaCl+K KCl 熔点(770 ),NaCl 熔点(801)K 沸点(759 ),Na 沸点(883), 【问题 2】粗硅的成分有关信息的补充:物质名称 熔点 沸点硅 1414 2900二氧化硅 1723 2230
7、碳 3500 4827碳化硅 2700 3500四氯化硅 70 57.6【关于四氯化硅】高纯四氯化硅为无色透明液体,无毒,常温常压下密度 1.48,熔点-70,沸点 57.6,在潮湿空气中水解而成硅酸和氯化氢。【问题 3】粗硅提纯用氯气处理的原理,反应的氯气如何制取?6【例题】单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用炭在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质),粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度 450500) ,四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。相关信息如下:四氯化硅遇水极易水解;硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物
8、;有关物质的物理常数见下表:物质 SiCl4 BCl3 AlCl3 FeCl3 PCl5沸点/ 57.7 12.8 315 熔点/ 70.0 107.2 升华温度/ 180 300 162请回答下列问题:(1)写出装置 A 中发生反应的离子方程式_。(2)装置 A 中 g 管的作用是 _;装置 C 中的试剂是_;装置 E 中的 h 瓶需要冷却的理由是_。(3)装置 E 中 h 瓶收集到的粗产物可通过精馏(类似多次蒸馏)得到高纯度四氯化硅,精馏后的残留物中,除铁元素外可能还含有的杂质元素是_(填写元素符号) 。(4)装置 F 的作用 2、硅的性质与用途物理性质:晶体硅是灰黑色,有金属光泽,熔沸点
9、高,硬度大,良好的半导体材料。7硅的原子结构:硅原子最外层上有 4 个电子,在反应中得失电子都很难,故化学性质稳定。自然界中无单质硅硅的化学性质、常温下,单质硅比较稳定,与氧气,氯气,硝酸,硫酸等很难反应。但与氟气,氟化氢和强碱反应、加热条件下与氧气,氯气,碳等反应。晶体硅的用途:用来制作半导体器件,制成太阳能电池,电脑芯片等。三、CO 2与 SiO2都是酸性氧化物,两者性质有较大差异二氧化碳 二氧化硅物理性质 熔沸点低,常温下是气体,微溶于水坚硬难熔的固体,不溶于水与 C 反应 CO2 + C =(高温)2CO SiO2+2C =(高温) Si+2CO与水反应 可逆反应生成碳酸 不反应与酸反应 不反应 SiO2+4HF=SiF4 + 2H2O与氢氧化钠溶液反应CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O与 CaO 反应 CO2+CaO=(高温) CaCO 3 SiO2+CaO=(高温) CaSiO37