高中化学第4章材料家族中的元素第1节硅无机非金属材料(第1课时)

第4章材料家族中的元素 第1节 硅 无机非金属材料第1课时

【教学目标】 知识与技能：

1、了解硅在自然界的存在、含量

2、了解单质硅的主要性质、工业制法和主要用途。 3、初步培养学生自主查阅资料的能力和阅读能力 过程与方法： 1、自主学习

2、通过碳与硅的新旧知识的比较，设疑引导、变疑为导、变教为导的思路教学法。 情感、态度与价值观

1、使学生掌握学习元素化合物知识的一般规律和正确方法

2、使学生体会组成材料的物质的性质与材料的性能的密切关系，认识新材料的开发对人类生产、生活的重要影响，学会关注与化学有关的社会热点问题，激发他们学习化学的热情。

【教学过程】

你能在沙子与计算机之间、沙子与计算机光通信之间建立起某种联系吗？（提示：沙子的主要成分是SiO2） 一、半导体材料与单质硅 ［交流研讨］ 你知道的半导体材料有哪些？非金属单质有哪些相似的化学性质？ ［学生回答、教师总结］除硅外，常见的半导体材料还有锗、铟等。大多数非金属单质一般可与金属、氧气、氢气、碱等物质反应。 ［联想质疑］ 硅作为非金属，它具有这些性质吗？ 学生思考回答 培养学生思考总结归纳的能力

［阅读阅读课本总结归纳1。单质硅的学生总结回答 灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体，熔点很高（1410°） 总结］ 物理性质 硅的化学性质 。。 2．硅的化学性质：常温下不活泼，学生 思考回答。除氟气、氢氟酸和强碱外，一般不与其他物质反应。加热条件下，可与氧气反应。 Si + O2 加热===== SiO2 Si + 2F2 === SiF4 Si + 4HF === SiF4 ↑+ 2H2↑ 培养学生思考总结归纳的能力 硅的工业制法 3．硅的工业制法： 工业上，用焦炭在电炉中还原SiO2得到含有少量杂质的粗硅后再提纯。 SiO2 + 2C Si + 2CO↑ ［学生回答、教师总结］硅成为一种重要的半导体材料的原因是：原料丰富易得，价格低，常温下化学性质稳定。硅除作为半导体材料用来制集成电路、晶体管、硅整流器外，还可制造太阳能电池，硅合金等。硅合金用于制造变压器、耐酸设备等。 ［交流研讨］什么原因促使硅成为一种重要的半导体材料？硅除作为半导体材料外，还有哪些用途？ 二、二氧化硅与光导纤维 交流研讨 阅读教材P108页，说明在自然界哪些常见物质的主要成分是二氧化硅？从物质分类角度来看，二氧化硅属于哪类物质？可能具有那些性质？在实验室，为［学生回答、教师总结］自然界常见的沙子、鹅卵石、石英、水晶的主要成分是二氧化硅，纯净的二氧化硅为无色透明的晶体，不溶于水，熔点高、硬度大。它属于非金属氧化物、酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性。可与碱性氧化物、碱反应，还可与氢氟酸反应。

什么盛装碱液的试剂瓶不能用玻璃塞？ ［讲归纳总结 1。物理性质 2．化学性质 SiO2 + 2NaOH == Na2SiO3 + H2O SiO2 + C SiO2 + CaO Si+CO2 CaSiO3 解、板书］ SiO2 + 4HF == SiF4↑ + 2H2O ［交流过去，人们曾应用CaF2粉末和［讲述］是“信息高速公路”计划，而光纤、光缆是信息高速公路的基石。 光纤通信发展很快，全世界总量超过1亿公里。我国在这方面起步并不算晚，1995年一年铺设了130万公里，全国已形成八横八纵的干线网。拉萨和大多数县城已经铺设了光缆。中日、中美海底光缆已经开通。另外，光纤还用于医学等许多方面，如肠镜、胃镜。甚至可以利用内窥镜观察到心脏内部的情况。 ［交流研讨］阅读教材，说明二氧化硅的用途。 3。二氧化硅的用途：制造电子元器件、光学仪器、精密仪器轴承、光导纤维、石英钟、工艺品、玻璃等。 研讨］ 浓H2SO4的混合物涂抹到玻璃上 刻字作画，请说明原理。 ［提问］1992年在美国曾提出一项关于通信方面的计划，大家知道是什么吗？ 三、硅及其化合物的特性

物质 Si 一般规律 硅还原性大于碳[ 非金属单质与强碱溶液一般不产生H2 硅及其化合物特性 SiO2＋2CSi＋2CO↑ 硅可与强碱反应产生H2

非金属一般不与非氧化性酸反应 一般非金属单质为绝缘体 酸性氧化物一般与水反应生成相应酸 酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应 Si + 4HF == SiF4↑+2H2 硅为半导体 SiO2不溶于水不与水反应 SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 以下反应不能说明酸性强弱SiO2 “较强酸制较弱酸”是复分解反应的一个规律，H2CO3酸性大于H2SiO3 高温Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋高温CO2↑、CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋CO2↑ H2SiO3 硅酸盐 四、光纤

无机酸一般易溶于水 大多数硅酸盐难溶于水 硅酸难溶于水 常见的可溶性硅酸盐为Na2Si03 1.光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是'光的全反射'。

2. 通常光纤与光缆两个名词会被混淆。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。光纤外层的保护层和绝缘层可防止周围环境对光纤的伤害，如水、火、电击等。光缆分为：光纤，缓冲层及披覆。光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。 3. 光纤发展史

1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。

人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒光纤前进。

这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。

后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。

4.光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成。内层为光内芯，直径在几微米至几十微米，外层的直径0.1～0.2mm。一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1%。根据光的折射和全反射原理,当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界

面，全部反射。 五、检测题

1. 有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”的观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，下列关于其有利因素的说法中，你认为不妥的是( )

A．便于运输、储存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料 B．自然界的含硅化合物易开采

C．硅燃烧放出的热量大，燃烧产物对环境污染程度低且容易有效控制 D．自然界中存在大量的单质硅

2. 目前，我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络，即信息高速公路。光纤通信所使用的光缆，其主要部件为光导纤维。下列说法正确的是…( )

①制造光导纤维的主要原料是CaCO3 ②制造光导纤维的主要原料是SiO2

③光导纤维传递光信号的基本物理原理是光的全反射 ④光导纤维传递光信号的基本物理原理是光的折射 A．①④ B．②③ C．①③ D．②④ 3. 列离子方程式书写不正确的是( ) ．

A．往NaOH溶液中加入过量CO2：CO2＋OH＝HCO3 B．单质Si与氢氟酸反应：Si＋4HF＝2H2↑＋SiF4↑ C．石英砂与烧碱反应制水玻璃：SiO2＋2OH＝SiO3＋H2O

D．往水玻璃中通入二氧化碳：Na2SiO3＋H2O＋CO2＝H2SiO3↓＋CO3＋2Na

4. 将2.8 g硅粉与2.3 g钠同时放入足量水中，采用恰当的方法收集反应过程中产生的气体(全部收集)，这些气体在标准状况下的体积为( )

A．1.12 L B．4.48 L C．5.6 L D．3.36 L 5. 金刚石、SiC具有优良的耐磨、耐腐蚀特性，应用广泛。

(1)碳与短周期元素Q的单质化合仅能生成两种常见气态化合物，其中一种化合物R为非极性分子。碳元素在周期表中的位置是______，Q是______。

(2)一定条件下，Na还原CCl4可制备金刚石，反应结束冷却至室温后，回收其中的CCl4的实验操作名称为_____ _，除去粗产品中少量钠的试剂为______。

(3)碳还原SiO2制SiC，其粗产品中杂质为Si和SiO2，现将20.0 g SiC粗产品加入到过量的NaOH溶液中充分反应，收集到0.1 mol氢气，过滤得SiC固体11.4 g，滤液稀释到1 L。生成氢气的离子方程式为________________________，硅酸盐的物质的量浓度为______。 6. 晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下：

2－

＋

－

2－

－

－

①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅

300 ℃

②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HCl=====SiHCl3＋H2 ③SiHCl3与过量H2在1 000～1 100 ℃反应制得纯硅。 已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。 请回答下列问题：

(1)第①步制备粗硅的化学反应方程式为__________________。

(2)粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6 ℃)和HCl(沸点－84.7 ℃)，提纯SiHCl3采用的方法为______________。

(3)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下(热源及夹持装置略去)：

①装置B中的试剂是__________。装置C中的烧瓶需要加热，其目的是___________。 ②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是______________，装置D不能采用普通玻璃管的原因是_________________，装置D中发生反应的化学方程式为_________________。

③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及______________________________。

④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂(填写字母代号)是_________。

a．碘水 B．氯水 c．NaOH溶液 D．KSCN溶液 e．Na2SO3溶液

参考答案

1. 【解析】有些燃料，如氢气具有发热量大、无污染等优点，但从运输、储存角度就不如硅了，硅是固体，常温下性质稳定，是非常安全的；另外，硅在自然界中存在广泛，硅的化合物易开采，其燃烧产物为SiO2，对环境污染程度低。但需注意的是，自然界没有游离态的硅，因此，D是错误的。

【答案】D

2. 【解析】本题综合考查了学生对新型无机非金属材料的了解，以及物理光学的基本原理。光导纤维主要原料的化学成分是SiO2，而光导纤维传递光信号的基本原理则是光的全反射。

【答案】B

3. 【解析】往NaOH溶液中通入少量CO2，生成物是Na2CO3，通入过量的CO2时生成NaHCO3。硅常温下不与酸反应，但与氢氟酸反应，HF是弱酸，所以离子方程式与化学方程式相同。石英砂的成分为SiO2，与烧碱反应生成盐和水。Na2SiO3易溶于水，Na2SiO3电离生成Na和SiO3。

【答案】D

4. 【解析】：2Na＋2H2O＝＝＝2NaOH＋H2↑

2×23 g 2 mol 22.4 L 2.3 g 0.1 mol 1.12 L Si＋2NaOH＋H2O＝＝＝Na2SiO3＋2H2↑ 28 g 2 mol 2×22.4 L 1．4 g 0.1 mol 2.24 L

反应后硅有剩余，V(H2)＝1.12 L＋2.24 L＝3.36 L。 【答案】D

5. 【解析】(1)碳与Q元素形成气态化合物，故Q为非金属元素，又由于是常见的含碳化合物，易联想为CO、CO2，且CO2为非极性分子。

(2)联想高温下4Na＋TiCl4===Ti＋4NaCl，故Na还原CCl4发生反应后生成金刚石、NaCl，其中只有CCl4为液态，其余均为固体，故可采用过滤的方法回收CCl4。粗产品中混有的金属钠，可利用其与乙醇或水反应除去。

(3)非金属单质只有硅可与NaOH溶液反应放出H2，其化学方程式为Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑，将其改写成离子方程式。m(Si)＝1.4 g，m(SiC)＝11.4 g，则m(SiO2)1.4 g7.2 g2－＝7.2 g，溶液中硅酸根离子的物质的量＝mol，c(SiO3)－1＋－1＝0.17

28 g·mol60 g·mol0.17 mol－1

＝＝0.17 mol·L。

1 L

【答案】(1)第二周期第ⅣA族 氧(或O) (2)过滤 水(或乙醇)

(3)Si＋2OH＋H2O===SiO3＋2H2↑ 0.17 mol·L

6. 【解析】本题以粗硅提纯为信息，考查了化学方程式书写、基本实验操作和设计等知识。在实验过程中需要注意以下几点：①分离两种沸点不同或差别较大的物质的时候可以采取分馏或蒸馏的方法。②H2在还原SiHCl3之前需要干燥。③H2还原SiHCl3需要在石英管中进行，在高温下要考虑到玻璃的软化。④铁单质的检验是根据题意中的先转化为了Fe后再进行检验。

【答案】

高温

(1)SiO2＋2C=====Si＋2CO↑ (2)分馏(或蒸馏) (3)①浓硫酸 使滴入烧瓶中的

3＋

－

2－

－1

2－

＋

SiHCl3汽化 ②有固体生成 在反应温度下，普通玻璃会软化

SiHCl3＋H2

1 000～1 100 ℃

=====Si＋3HCl ③排尽装置中的空气 ④bd

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