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2019-2020年魯科版高中化學(xué)必修1第4章材料家族中的元素 第1節(jié) 硅 無(wú)機(jī)非金屬材料第1課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)2 【教學(xué)目標(biāo)】 知識(shí)與技能： 1、了解硅在自然界的存在、含量 2、了解單質(zhì)硅的主要性質(zhì)、工業(yè)制法和主要用途。 3、初步培養(yǎng)學(xué)生自主查閱資料的能力和閱讀能力 過(guò)程與方法： 1、自主學(xué)習(xí) 2、通過(guò)碳與硅的新舊知識(shí)的比較，設(shè)疑引導(dǎo)、變疑為導(dǎo)、變教為導(dǎo)的思路教學(xué)法。 情感、態(tài)度與價(jià)值觀 1、使學(xué)生掌握學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)的一般規(guī)律和正確方法 2、使學(xué)生體會(huì)組成材料的物質(zhì)的性質(zhì)與材料的性能的密切關(guān)系，認(rèn)識(shí)新材料的開(kāi)發(fā)對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)、生活的重要影響，學(xué)會(huì)關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題，激發(fā)他們學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情。 【教學(xué)過(guò)程】 你能在沙子與計(jì)算機(jī)之間、沙子與計(jì)算機(jī)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(dǎo)體材料與單質(zhì)硅 ［交流研討］ 你知道的半導(dǎo)體材料有哪些？非金屬單質(zhì)有哪些相似的化學(xué)性質(zhì)？ ［學(xué)生回答、教師總結(jié)］除硅外，常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料還有鍺、銦等。大多數(shù)非金屬單質(zhì)一般可與金屬、氧氣、氫氣、堿等物質(zhì)反應(yīng)。 ［聯(lián)想質(zhì)疑］ 硅作為非金屬，它具有這些性質(zhì)嗎？ 學(xué)生思考回答 培養(yǎng)學(xué)生思考總結(jié)歸納的能力 ［閱讀總結(jié)］ 閱讀課本總結(jié)歸納1。單質(zhì)硅的物理性質(zhì) 學(xué)生總結(jié)回答 灰黑色，有金屬光澤，硬而脆的固體，熔點(diǎn)很高（1410） 硅的化學(xué)性質(zhì) 2．硅的化學(xué)性質(zhì)：常溫下不活潑，除氟氣、氫氟酸和強(qiáng)堿外，一般不與其他物質(zhì)反應(yīng)。加熱條件下，可與氧氣反應(yīng)。 Si + O2 加熱===== SiO2 Si + 2F2 === SiF4 Si + 4HF === SiF4 ↑+ 2H2↑ 學(xué)生 思考回答。。。 培養(yǎng)學(xué)生思考總結(jié)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(zhì)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(dǎo)體材料？硅除作為半導(dǎo)體材料外，還有哪些用途？ ［學(xué)生回答、教師總結(jié)］硅成為一種重要的半導(dǎo)體材料的原因是：原料豐富易得，價(jià)格低，常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。硅除作為半導(dǎo)體材料用來(lái)制集成電路、晶體管、硅整流器外，還可制造太陽(yáng)能電池，硅合金等。硅合金用于制造變壓器、耐酸設(shè)備等。 二、二氧化硅與光導(dǎo)纖維 交流研討 閱讀教材P108頁(yè)，說(shuō)明在自然界哪些常見(jiàn)物質(zhì)的主要成分是二氧化硅？從物質(zhì)分類(lèi)角度來(lái)看，二氧化硅屬于哪類(lèi)物質(zhì)？可能具有那些性質(zhì)？在實(shí)驗(yàn)室，為什么盛裝堿液的試劑瓶不能用玻璃塞？ ［學(xué)生回答、教師總結(jié)］自然界常見(jiàn)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(wú)色透明的晶體，不溶于水，熔點(diǎn)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(yīng)，還可與氫氟酸反應(yīng)。 ［講解、板書(shū)］ 1。物理性質(zhì) 2．化學(xué)性質(zhì) SiO2 + 2NaOH == Na2SiO3 + H2O SiO2 + C Si+CO2 SiO2 + CaO CaSiO3 SiO2 + 4HF == SiF4↑ + 2H2O 歸納總結(jié) ［交流研討］ 過(guò)去，人們?cè)鴳?yīng)用CaF2粉末和濃H2SO4的混合物涂抹到玻璃上刻字作畫(huà)，請(qǐng)說(shuō)明原理。 ［提問(wèn)］1992年在美國(guó)曾提出一項(xiàng)關(guān)于通信方面的計(jì)劃，大家知道是什么嗎？ ［講述］是“信息高速公路”計(jì)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(guò)1億公里。我國(guó)在這方面起步并不算晚，1995年一年鋪設(shè)了130萬(wàn)公里，全國(guó)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(shè)了光纜。中日、中美海底光纜已經(jīng)開(kāi)通。另外，光纖還用于醫(yī)學(xué)等許多方面，如腸鏡、胃鏡。甚至可以利用內(nèi)窺鏡觀察到心臟內(nèi)部的情況。 ［交流研討］閱讀教材，說(shuō)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(xué)儀器、精密儀器軸承、光導(dǎo)纖維、石英鐘、工藝品、玻璃等。 三、硅及其化合物的特性 物質(zhì) 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(zhì)與強(qiáng)堿溶液一般不產(chǎn)生H2 硅可與強(qiáng)堿反應(yīng)產(chǎn)生H2 非金屬一般不與非氧化性酸反應(yīng) Si + 4HF == SiF4↑+2H2 一般非金屬單質(zhì)為絕緣體 硅為半導(dǎo)體 SiO2 酸性氧化物一般與水反應(yīng)生成相應(yīng)酸 SiO2不溶于水不與水反應(yīng) 酸性氧化物一般不與酸發(fā)生復(fù)分解反應(yīng) SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O “較強(qiáng)酸制較弱酸”是復(fù)分解反應(yīng)的一個(gè)規(guī)律，H2CO3酸性大于H2SiO3 以下反應(yīng)不能說(shuō)明酸性強(qiáng)弱Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑ H2SiO3 無(wú)機(jī)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(jiàn)的可溶性硅酸鹽為Na2Si03 四、光纖 1.光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。傳輸原理是光的全反射。 2. 通常光纖與光纜兩個(gè)名詞會(huì)被混淆。多數(shù)光纖在使用前必須由幾層保護(hù)結(jié)構(gòu)包覆，包覆后的纜線即被稱(chēng)為光纜。光纖外層的保護(hù)層和絕緣層可防止周?chē)h(huán)境對(duì)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(méi)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(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾到皇家學(xué)會(huì)的演講廳講光的全反射原理，他做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)：在裝滿水的木桶上鉆個(gè)孔，然后用燈從桶上邊把水照亮。結(jié)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(lái)，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?cè)?jīng)發(fā)現(xiàn)，光能沿著從酒桶中噴出的細(xì)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(jìn)。 這是為什么呢？難道光線不再直進(jìn)了嗎？這些現(xiàn)象引起了丁達(dá)爾的注意，經(jīng)過(guò)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(dāng)入射角大于某一角度時(shí)，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(jìn)。 后來(lái)人們?cè)斐鲆环N透明度很高、粗細(xì)像蜘蛛絲一樣的玻璃絲──玻璃纖維，當(dāng)光線以合適的角度射入玻璃纖維時(shí)，光就沿著彎彎曲曲的玻璃纖維前進(jìn)。由于這種纖維能夠用來(lái)傳輸光線，所以稱(chēng)它為光導(dǎo)纖維。 4.光導(dǎo)纖維是由兩層折射率不同的玻璃組成。內(nèi)層為光內(nèi)芯，直徑在幾微米至幾十微米，外層的直徑0.1～0.2mm。一般內(nèi)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(dāng)光線射到內(nèi)芯和外層界面的角度大于產(chǎn)生全反射的臨界角時(shí)，光線透不過(guò)界面，全部反射。 五、檢測(cè)題 1. 有科學(xué)家提出硅是“21世紀(jì)的能源”“未來(lái)的石油”的觀點(diǎn)。假如硅作為一種普遍使用的新型能源被開(kāi)發(fā)利用，下列關(guān)于其有利因素的說(shuō)法中，你認(rèn)為不妥的是(　　) A．便于運(yùn)輸、儲(chǔ)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(kāi)采 C．硅燃燒放出的熱量大，燃燒產(chǎn)物對(duì)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(zhì)硅 2. 目前，我國(guó)正在大力建設(shè)高質(zhì)量的寬帶光纖通信網(wǎng)絡(luò)，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(dǎo)纖維。下列說(shuō)法正確的是…(　　) ①制造光導(dǎo)纖維的主要原料是CaCO3 ②制造光導(dǎo)纖維的主要原料是SiO2 ③光導(dǎo)纖維傳遞光信號(hào)的基本物理原理是光的全反射 ④光導(dǎo)纖維傳遞光信號(hào)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(shū)寫(xiě)不正確的是(　　) A．往NaOH溶液中加入過(guò)量CO2：CO2＋OH－＝HCO B．單質(zhì)Si與氫氟酸反應(yīng)：Si＋4HF＝2H2↑＋SiF4↑ C．石英砂與燒堿反應(yīng)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(shí)放入足量水中，采用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄊ占磻?yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體(全部收集)，這些氣體在標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用廣泛。 (1)碳與短周期元素Q的單質(zhì)化合僅能生成兩種常見(jiàn)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(yīng)結(jié)束冷卻至室溫后，回收其中的CCl4的實(shí)驗(yàn)操作名稱(chēng)為_(kāi)____ _，除去粗產(chǎn)品中少量鈉的試劑為_(kāi)_____。 (3)碳還原SiO2制SiC，其粗產(chǎn)品中雜質(zhì)為Si和SiO2，現(xiàn)將20.0 g SiC粗產(chǎn)品加入到過(guò)量的NaOH溶液中充分反應(yīng)，收集到0.1 mol氫氣，過(guò)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_(kāi)_______________________，硅酸鹽的物質(zhì)的量濃度為_(kāi)_____。 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(yīng)制得SiHCl3：Si＋3HClSiHCl3＋H2 ③SiHCl3與過(guò)量H2在1 000～1 100 ℃反應(yīng)制得純硅。 已知SiHCl3能與H2O強(qiáng)烈反應(yīng)，在空氣中易自燃。 請(qǐng)回答下列問(wèn)題： (1)第①步制備粗硅的化學(xué)反應(yīng)方程式為_(kāi)_________________。 (2)粗硅與HCl反應(yīng)完全后，經(jīng)冷凝得到的SiHCl3(沸點(diǎn)33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸點(diǎn)57.6 ℃)和HCl(沸點(diǎn)－84.7 ℃)，提純SiHCl3采用的方法為_(kāi)_____________。 (3)用SiHCl3與過(guò)量H2反應(yīng)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(yīng)一段時(shí)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(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)________________。 ③為保證制備純硅實(shí)驗(yàn)的成功，操作的關(guān)鍵是檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性，控制好反應(yīng)溫度以及______________________________。 ④為鑒定產(chǎn)品硅中是否含微量鐵單質(zhì)，將試樣用稀鹽酸溶解，取上層清液后需再加入的試劑(填寫(xiě)字母代號(hào))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(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，但從運(yùn)輸、儲(chǔ)存角度就不如硅了，硅是固體，常溫下性質(zhì)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(kāi)采，其燃燒產(chǎn)物為SiO2，對(duì)環(huán)境污染程度低。但需注意的是，自然界沒(méi)有游離態(tài)的硅，因此，D是錯(cuò)誤的。 【答案】D 2. 【解析】本題綜合考查了學(xué)生對(duì)新型無(wú)機(jī)非金屬材料的了解，以及物理光學(xué)的基本原理。光導(dǎo)纖維主要原料的化學(xué)成分是SiO2，而光導(dǎo)纖維傳遞光信號(hào)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(guò)量的CO2時(shí)生成NaHCO3。硅常溫下不與酸反應(yīng)，但與氫氟酸反應(yīng)，HF是弱酸，所以離子方程式與化學(xué)方程式相同。石英砂的成分為SiO2，與燒堿反應(yīng)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(yīng)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(jiàn)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(yīng)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(guò)濾的方法回收CCl4。粗產(chǎn)品中混有的金屬鈉，可利用其與乙醇或水反應(yīng)除去。 (3)非金屬單質(zhì)只有硅可與NaOH溶液反應(yīng)放出H2，其化學(xué)方程式為Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑，將其改寫(xiě)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(zhì)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(guò)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ⅲ疾榱嘶瘜W(xué)方程式書(shū)寫(xiě)、基本實(shí)驗(yàn)操作和設(shè)計(jì)等知識(shí)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：①分離兩種沸點(diǎn)不同或差別較大的物質(zhì)的時(shí)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(jìn)行，在高溫下要考慮到玻璃的軟化。④鐵單質(zhì)的檢驗(yàn)是根據(jù)題意中的先轉(zhuǎn)化為了Fe3＋后再進(jìn)行檢驗(yàn)。 【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(yīng)溫度下，普通玻璃會(huì)軟化 SiHCl3＋H2Si＋3HCl?、叟疟M裝置中的空氣　④bd