课题1　无机非金属材料国家获奖教案

第三单元化学与材料的发展

课题1

无机非金属材料

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。

教学过程

【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】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】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。

【板书】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

【提示】（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。

【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。

【结论】(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：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。

【板书】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。

【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。

【结论】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。

【板书】（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】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。

【板书】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。

（2）陶瓷

产品成分：复杂，主要是硅酸盐。

制造原料：黏土、石英砂。

（3）玻璃

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】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。

【板书】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？

【提示】单质硅熔点高、硬度大。

【投影】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。

【板书】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】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。

【板书】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。

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。

当堂检测

1. 根据水泥和玻璃的生产，总结出硅酸盐工业的一般特点是(

) ①生成物是硅酸盐

②反应条件是高温

③含有硅的物质作原料

④反应原理是一系列复杂的物理化学变化A．①③

B．①②③

C．①③④

D．①②③④

【答案】D 2．将足量的CO2通入下列溶液中，能产生沉淀的是(

) A．硅酸钠溶液

B．石灰水

C．氯化钡溶液

D．氯化钙溶液

【答案】A

3. 在地壳内，深度每增加1千米，压力大约增加25 250～303 000 kPa，在这样的压力下，较简单的硅酸盐会转化为复杂的硅酸盐。已知钙长石、镁橄榄石、石榴子石的化学式分别是：CaAl2Si2O8、Mg2SiO4、CaMg2Al2Si3O12。

(1)用氧化物形式表示的化学式分别为

钙长石_________________，镁橄榄石__________________，石榴子石__________________。

(2)写出钙长石和镁橄榄石转化为石榴子石的化学方程式：____________________________。

【答案】(1)CaO·Al2O3·2SiO2

2MgO·SiO2(2)CaAl2Si2O8＋Mg2SiO4===CaMg2Al2Si3O12

CaO·2MgO·Al2O3·3SiO2