第三单元　含硅矿物与信息材料第二课时教学实录

第3单元

含硅矿物与信息材料

课时2 二氧化硅与信息材料

一、教学目标

（1）知道二氧化硅的一些性质及硅单质的制备，了解二氧化硅和单晶硅的用途，以及与人类文明发展的密切关系。

（2）了解我国材料科学发展的成就，社会及科学技术的发展对新型材料的要求，激发学习化学的热情，提高社会责任感。

二、教学重点与难点

重点：二氧化硅和单晶硅的应用，二氧化硅的性质。

难点：二氧化硅的化学性质。

三、设计思路

本节课内容较贴近生活实际，所以在教学中考虑充分利用实物、模型及教科书中的彩图和插图，增强教学的直观性，激发学生的学习兴趣，本节内容较简单，可通过学生自己阅读归纳和老师评价总结的方法来认识物质的共性和个性，有利于学生对知识的记忆和掌握。

四、教学过程

【导入新课】你们平时爱看电视吗？主持人中你们最喜欢哪一位？

【设疑】很多节目都有主持人在现场与全国各地的观众进行交流的场景，那么，声音和图像信号是如何同步及时传输到各地的呢？又是使用了什么材料呢？

【讲述】

图像信号、声音信号必须依靠光缆及时传递，让我们尽管身处不同的地方，却都能同步收看。制光缆的主要原料是二氧化硅，下面我们首先研究二氧化硅的性质。

【投影】玛瑙、石英等图片

【讲述】这些物质的主要成分都是二氧化硅。

【板书】

一、二氧化硅

1．存在形式：沙子、石英、水晶、硅藻土

【设问】二氧化硅是氧化物，它是哪类氧化物？

【学生回答】酸性氧化物。

【设疑】

酸性氧化物应该具有那些性质呢？请大家根据阅读课本内容设计表格归纳二氧化硅的性质。

【板书】2．性质：

性状态

质

硬度

大

固态

二氧化硅

熔沸点

化学性与碱性氧化物

质

与水

与碱溶液

很高

不反应

SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O

SiO2+CaO高温

CaSiO3

【归纳】从上面的比较我们看出，SiO2性质不活泼，不与水、酸（氢氟酸除外）反应，耐高温、耐腐蚀。但可与碱性氧化物和强碱溶液反应。

【设疑】盛放氢氧化钠溶液的玻璃试剂瓶不能用玻璃塞，你知道是什么原因吗？

【强调】氢氧化钠与玻璃中二氧化硅反应，生成硅酸钠，具有粘性，容易把瓶子和塞子粘住，不容易打开。

【讲述】

SiO2的熔沸点很高是由它的结构决定的，它是空间网状结构。

【板书】 3．空间结构：立体网状结构

结构单元：正四面体

【介绍】

SiO2用途非常广泛，可用于制作光学镜片、石英坩埚等，我们来看介绍。

【过渡】我们开始讲的光导纤维也是由SiO2制取的。

二．光导纤维

【讲述】光导纤维，简称“光纤”，就是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃细丝。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。中日海底光缆已经开通，中美海底光缆工程也已经启动。1992年美国曾提出一项关于通信方面的计划，这就是“信息高速公路”计划，而光纤、光缆是信息高速公路的基石。

【观看】光导纤维介绍的录像。

【提问】刚才录像中提到了光导纤维有哪些用途呢？

【讲述】光导纤维的应用。

【过渡】光纤很神奇，下面我们再来看个神奇的图片：用硅原子组成的两个汉字“中国”。

【介绍】照片上的两个字是在硅晶体表面，通过操纵硅原子“写出”的。“中国”两个字“笔画”的宽度约两纳米，这是目前世界上最小的汉字，说明人类已进入操纵原子的时代，目前只有中国等少数国家掌握。我们应该为此感到自豪。

例1

指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在A～D选项中选择正确答案填入括号内。

A．作为玻璃的成分被消耗而使玻璃腐蚀

B．氧化性

C．酸性氧化物的通性

D．将挥发性的酸酐从其盐中置换出来

①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(

) 高温②SiO2＋Na2CO3=====Na2SiO3＋CO2↑(

) 高温③SiO2＋2C=====Si＋2CO↑(

) 高温④SiO2＋CaO=====CaSiO3(

) ⑤SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(

) 类题跟踪1

(双选)下列说法正确的是(

)

A．二氧化硅是酸性氧化物，它可以跟强碱反应，但不能与任何酸反应

高温B．根据SiO2＋CaCO3=====CaSiO3＋CO2↑的反应，可推知硅酸酸性比碳酸强

C．二氧化碳气体通入硅酸钠溶液中可以制得硅酸

D．二氧化硅可以制取光导纤维

【讲述】硅常作半导体材料。硅半导体材料的制备必须先制得高纯硅，请看制备出的硅晶体图片。

【设问】那么硅晶体又是如何制备的呢？

【板书】三、硅

1．硅的制备

制粗硅：2C+SiO2

高温

Si+2CO↑

【过渡】这样制得的硅仍含有杂质，纯度不高，仍然不能满足工业生产的需要，所以要把粗硅提纯。

【板书】硅提纯：

Si+2Cl2

高温

SiCl4（400—500 ℃）

Si+4HCl SiCl4+2H2

高温

【引导】晶体硅的性质又怎样呢？请大家阅读课本82页，然后归纳一下。

【板书】2．硅的物理性质

灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。熔沸点高，硬度大，难溶于水。

硅晶体的导电性介于导体和绝缘体之间，是一种重要的半导体材料。

3．硅的化学性质

（1）常温下，性质稳定，与氧气、氯气、硝硫酸等都很难反应

（2）加热高温条件下，与氧气、氯气等反应。

Si + O2

高温

Si + 2Cl2

4．硅的用途

SiO2

高温

SiCl4（液态）

从石英砂制取硅并获得高纯硅的主要化学反应如下：

高温①SiO2＋2C=====Si(粗)＋2CO↑

高温②Si(粗)＋2Cl2=====SiCl4

高温③SiCl4＋2H2=====Si(纯)＋4HCl 关于上述反应的分析不正确的是(

) A．①③是置换反应，②是化合反应

B．高温下，焦炭与氢气的还原性均强于硅

C．①②③任一反应中，每消耗或生成28 g硅，均转移4 mol电子

D．高温下将石英砂、焦炭、氯气、氢气按一定比例混合可得高纯硅

类题跟踪2

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：

①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅。

300 ℃②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3，Si＋3HCl=====SiHCl3＋H2

③SiHCl3与过量的H2在1 000～1 1 00 ℃下反应制得纯硅，已知SiHCl3能与H2O剧烈反应，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 ℃)中含有少量的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图所示(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_____________________。

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__________________________。

随堂自测

1.下列说法正确的是(

) A．硅材料广泛应用于光纤通讯

B．工艺师利用盐酸刻蚀石英制作艺术品

C．水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品

D．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应

2．(双选)素有“水晶之乡”美称的江苏东海县盛产水晶，现存于国家地质博物馆的水晶大王就出自东海县。水晶是较纯净的透明的石英晶体，石英的主要成分是SiO2。下列有关石英的叙述正确的是(

) A．石英都是无色透明的晶体，可以作装饰品，也可以制作光学仪器

B．石英可以用来生产玻璃

C．石英晶体可以制取金刚砂

D．石英不可以用来制取高纯硅，可以制光导纤维

3．硅是无机非金属材料王国中的“国王”，以硅为中心的“臣民”应用于社会的各个角落，随着科技的发展，新型无机非金属材料更是备受瞩目。水晶是一种重要的饰品，其主要成分是SiO2，下列有关水晶的说法中正确的是(

) A．水晶的主要成分是酸性氧化物，因此不能被任何酸腐蚀

B．水晶的性质非常稳定，但在一定条件下可表现出氧化性

C．水晶可以溶于NaOH溶液，并产生氢气

D．水晶既能与NaOH反应，又能与HCl反应

4．关于硅及其化合物的叙述中，正确的是(

) A．硅是良好的半导体材料，可以与NaOH溶液和氢氟酸反应

高温B．二氧化硅与石灰石反应：SiO2＋CaCO3=====CaSiO3＋CO↑

高温C．用焦炭还原二氧化硅生产硅：SiO2＋2C=====Si＋2CO2↑

D．水泥的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2

5．地壳中含量位于第一、二位的元素之间形成的化合物不具有的性质是(

) A．常温下与苛性钠反应

B．常温下与水反应

C．常温下与氢氟酸反应

D．高温下与氧化钙反应

6．(1)用地壳中某主要元素生产的多种产品在现代物质文明的重要作用。例如：

①光导纤维的主要成分是_________。

②目前应用最多的太阳能电池的光电转化材料是_______。

③计算机芯片的主要成分是__________。

④用作吸附剂、干燥剂、催化剂或催化剂载体的人造分子筛大多是一类称为_____的化合物。

(2)写出工业上制备该元素的单质及提纯的有关化学方程式：①___________________________________，②___________________________________，③__________________________________。

【结束语】这节课我们主要学习了硅单质和二氧化硅的结构和性质及用途，我们也了解到硅及其化合物在全球信息的流通、电子业的发展中充当了非常重要的角色，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，研究硅这古老而又年轻的元素在更多方面的应用。

【作业】1．

完成“练习与实践”第2、3、6三题。

2．通过查阅资料了解硅及其化合物在生活和生产中的应用。