含硅矿物和信息材料 (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。

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）硅酸盐种类多，结构复杂，其表示方法有两种：
①盐化学式法：如：硅酸钠，硅酸钙等，此法一般用于组成比
较简单的硅酸盐。

②盐氧化物表示法：
锆石（ZrSiO4）盐氧化物表示为：
红柱石（Al2SiO5），盐氧化物表示为：
钙铝石榴子石（Ca3Al2Si3O12），盐氧化物表示为：
镁橄榄石（Mg2SiO4），盐氧化物表示为：
正长石（KAlSi3O8），盐氧化物表示为：
青石棉（Na2Fe5Si8H2O24），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：
4、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
①主要原料：
②反应条件：
③主要设备：
④反应原理：
⑤主要成分：硅酸三钙（3CaO·SiO2）,硅酸二钙（2CaO·SiO2），铝酸三钙（3CaO·Al2O3）
⑥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：
⑦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
①主要原料：
②反应条件：
③主要设备：
④反应原理：
⑤普通玻璃的组成：Na2O·CaO·6SiO2
⑥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：
⑦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。

【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
①酸性氧化物的性质：
②特性（与HF）反应：
③与盐的反应（玻璃工业）：
④弱氧化性：（与C反应）：
2、二氧化硅的用途
①熔沸点高（1710℃），硬度大
②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。

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
1723 2230
二氧化硅
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？
【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450~500℃），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：①四氯化硅遇水极易水解；
②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；
③有关物质的物理常数见下表：
物质SiCl4BCl3AlCl3FeCl3PCl5
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
①物理性质：晶体硅是灰黑色，有金属光泽，熔沸点高，硬度大，良好的半导体材料。

②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
③硅的化学性质
Ⅰ、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
Ⅱ、加热条件下与氧气，氯气，碳等反应。

④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。

二氧化碳二氧化硅
坚硬难熔的固体，不溶于水
物理性质熔沸点低，常温下是气体，微溶
于水
与C反应CO2 + C ==（高温）2CO SiO
+2C =(高温) Si+2CO
2
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
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 溶液反应
与CaO反应CO2+CaO==(高温) CaCO3SiO2+CaO==(高温) CaSiO3。