硅和硅酸盐工业
【教学目标】
知识目标
1.掌握碳族元素名称、符号和它们在周期表中的位置及其原子结构特点。
2.掌握碳族元素性质上的相似性、递变性和特殊性。并能用物质结构和元素周期律等知识解释其原因。
3.认识硅和二氧化硅的化学性质和用途。
能力目标
1.应用物质结构、元素周期律的理论知识指导元素化合物知识的学习。明确“位置、结构、性质”之间的关系。
2.培养学生的知识迁移能力。
情感目标
渗透量变到质变，对立统一规律等辩证唯物主义观点在学习元素化合物知识中的应用。
【教学建议】
教材分析
本节教材以原子结构、元素周期律的理论为指导，介绍碳族元素及其化合物的知识。教材从学生学过的碳元素入手，引出碳族元素，根据碳族元素在周期表中的位置和结构特点，研究、讨论碳族元素性质递变规律和共性，并以列表的形式简单介绍碳族元素的一些重要性质。在碳族元素中，碳及其化合物的知识已在初中介绍过，所以，本节主要介绍碳族元素中的另一种重要的代表元素-硅。教材从已学过的碳和元素周期律的知识入手，着重介绍了硅和二氧化硅的存在、性质、用途。例如，硅作为重要的半导体材料，在电子工业中有广泛的用途；二氧化硅既具有酸性氧化物的共性，又有其特性等。了解这些元素化合物知识，对于扩大学生对非金属和酸性氧化物的认识很有帮助。
旧教材中硅一章作为化学第二册中的第一章。其中碳族元素和硅及其重要的化合物分别为第一、二节。新教材中把二者合二为一，降低了难度，增加了知识的广度。
学生在学习氧族元素的知识之后，对元素周期律和原子结构理论的运用已经有了一些了解，碳族元素放在后面，就可以对所学知识有更进一步的认识。尤其是碳族元素从非金属性向金属性变化的规律很典型，对复习、巩固元素周期律和原子结构理论有重要作用。
为了不使学生感到枯燥，编写时注意联系生产和生活实际。例如，在介绍二氧化硅时，联系生活中常见的石英电子表、石英钟，以及自然界存在的水晶等，并配有插图。为了扩大学生的知识面，激发学生学习化学的兴趣，本书还安排了一段选学内容和一段阅读材料，供教师在教学中选用或供有兴趣的学生课外阅读。
在本节教材中，适当地编入了一些“讨论”。例如，在介绍碳族元素知识以前，安排了一个讨论，让学生先根据元素周期律的知识试着推断碳族元素性质变化的一些规律，然后再进行简单的归纳。这样，既复习、巩固了所学知识，也加深了对新学知识的理解。同时，还能启发学生思考，培养学生的能力。
本节教学重点：碳族元素性质递变规律，硅和二氧化硅的化学性质。
碳族元素性质递变的教学建议
1．掌握ⅣA族含碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）5种元素。
2．应用原子结构和元素周期律的理论掌握：（1）本族元素位于周期表里易失电子和易得电子主族元素的中间位置，原子最外层有4个电子，易生成共价化合物（主要指C、Si等）。
（2）各元素最高正价为＋4价。
（3）随电子层数递增，元素的非金属性渐弱、金属性渐强。C、Si为非金属元素，C比Si非金属性强；Ge、Sn、Pb为金属元素，金属性依次增强（注意，Sn比Pb活泼仅适用于水溶液中的反应）。
3．从氧化还原角度分析，碳、硅、锗、锡的＋4价化合物稳定，铅的＋2价化合物稳定。
4．根据晶体类型和结构掌握，碳和硅的单质熔沸点高于另3种金属单质，且碳比硅高，锗、锡、铅的单质熔沸点依次降低（反常现象为锡比铅的熔点低）。
【教学设计方案一】
碳族元素（第一课时）
教学过程
引入：我们在初中已经介绍了碳及其化合物的一些性质，请同学们先回忆一下，互相讨论，然后请小组代表说明。
提出：我们在高中化学学习了一个非常重要的理论：元素周期律。它是指导我们学习元素化合物知识的工具。“位置、结构、性质”三者之间有着紧密的联系。
展示：碳族元素在周期表中的位置。
阅读思考：1．碳族元素在原子结构上的共同点和不同点？2．根据所学的元素周期律知识，试推断碳族元素性质变化的一些规律。
展示图片：碳、硅、锗、锡、铅等元素原子结构特征，要求学生画出它们的原子结构示意图。
师生归纳：原子结构的相同点和不同点。
展示：碳族元素单质的颜色和状态的图片。
学生完成碳族元素性质递变的表格，教师讲评订正。
小结：碳族元素性质的递变规律。
思考：1．为什么碳族元素容易形成共价化合物？2．为什么单质熔点的变化是从低→高→低？（其中第二个问题教师可以根据本班实际情况决定取舍。）
解释：事物发展往往是由量变产生质变。其中碳和硅是非金属，锗是典型的两性金属，而锡和铅是典型的金属的事实充分说明了这一点。同时还告诉我们金属和非金属之间没有绝对界限。
提出：根据元素周期律的知识，Pb的金属性铋Sn强，而在金属活动顺序中，Sn的活动性比Pb强，这是否矛盾呢？
教师解释：前者是干态时失电子能力。后者是在水溶液里失电子能力，条件不同并不矛盾。
课堂练习
1．下列关于碳族元素的叙述中，正确的是
A．最外层上有2个电子
B．主要化合价均为＋2、＋4
C．稳定化合价均为＋4
D．不易形成离子化合物
2．下列气态氢化物最不稳定的是
A．PH3B．H2SC．HClD．SiH4
3．最近科学家制得一种新的分子，它具有空心的类似足球状结构，化学式为C60。下列说法正确的是
A．C60是一种新型的化合物
B．C60和石墨都是碳的同素异形体
C．C60中含有离子键
D．C60的式量为720
4．某元素位于元素周期性表的A族，它是良好的半导体材料，其金属性比非金属性强，所以通常认为它是金属，此元素可能是
A．SiB．GeC．SnD．Pb
5．下列有关碳族元素的叙述中，不正确的是
A．碳族元素易形成共价化合物
B．碳族元素最高价氧化物均易溶于水
C．碳族元素中硅和锗可作半导体材料
D．碳族元素的非金属性向金属性递变的趋势没有氮族元素明显参考答案1．D2．D3．B、C4．B5．B、D知识小结小结全课的重点内容
课后作业练习题
Fe3O4按照氧化物的形式可表示为FeO·Fe2O3，若将其看作一种盐可表示为Fe（FeO2）2。（1）试根据化合价规则对Pb3O4用上述两种形式表示组成，其氧化物形式应为，其盐的形式应为。
（2）已知铅的＋2价化合物是稳定的，则铅的＋4价化合物应具有较强的氧化性。PbO2与浓盐酸可发生氧化还原反应生成Cl2。试写出Pb3O4与浓盐酸发生反应的化学方程式。
分析：这是一道信息迁移题。题中铅元素的化合价与铁元素不同，呈＋2价和＋4价，所以氧化物形式写成2PbO·PbO2，盐的形式写成Pb2PbO4。Pb3O4。Pb3O4→2PbO·PbO2，与盐酸的反应可理解为PbO＋2HCl=PbCl2＋H2O和PbO2＋4HCl=PbCl2＋Cl2↑＋2H2O。
答案（1）2PbO·PbO2；Pb2PbO4
（2）Pb3O4＋8HCl=3PbCl2＋Cl2↑＋4H2O迁移点拨：有一种锰和氧的化合物可以称为高锰酸锰，其中锰元素呈＋2价和＋7价两种价态，则这种化合物的化学式为。
答案Mn（MnO4）2或Mn3O8。
【板书设计】
一、原子结构
相同点：最外层电子数均为4个
不同点：从C到Pb电子层数、原子半径依次增大二、元素性质
共性（相似性）：
1．主要化合价为＋4、＋2；
2．最高价氧化物为XO2型；
3．氢化物为XH4型
递变规律（从C到Pb）：金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。
【教学设计方案二】
碳族元素（第二课时）
教学过程
引入：本节主要学习硅及二氧化硅的化学性质。
阅读：教材硅在自然界的存在形式一段。
讲述：硅的分布与存在
展示：硅单质的图片
阅读：硅的物理性质一段
讲解：硅的物理性质。
展示：晶体硅的图片。
讨论：根据所学的碳以及元素周期律的知识，归纳出一些硅的化学性质。
小结：硅的化学性质。常温下化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其他物质反应。加热条件下，硅能跟一些非金属反应。
简介：硅的工业制法。用碳在高温下还原二氧化硅的方法制得粗硅。与氯反应生成的SiCl4液体通过精馏，除去其中的硼、砷等杂质。然后用氢气还原。
归纳：硅的用途。硅可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件，还可以制成太阳能电池，可制成有良好导磁性、耐酸性的合金。
展示：太阳能电池的图片。
简要介绍：二氧化硅的结构，播放二氧化硅结构的动画。
展示：二氧化硅的图片
小结：二氧化硅的物理性质和用途。
对比：让学生根据二氧化碳的性质推断二氧化硅的主要化学性质。
归纳：二氧化硅是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，但是它不能与水反应。能与氢氟酸、碳酸钙、碳酸钠（制玻璃的主要反应）固体等反应。
介绍：硅酸盐组成的表示方法并练习用氧化物形式表示高岭石和钙长石。硅酸盐的种类很多，结构也很复杂，通常可用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示其组成。表示方法：金属元素氧化物写在前面，再写SiO2，最后写H2O；氧化物之间用“·”隔开。
课堂练习
1．下列有关物质的用途错误的是
A．锗和硅（半导体材料）
B．二氧化硅（制光导纤维）
C．水玻璃（用作粘合剂）
D．原硅酸（用作耐火材料）
2．将过量的二氧化碳分别通入：①氯化钙溶液②硅酸钠溶液③次氯酸钙溶液④饱和碳酸钠的溶液最终溶液中有白色沉淀析出的是
A．①②③④B．②④C．①②③D．②③④
答案：D，B。
（说明：教师可以根据本班具体情况增加硅酸的部分内容。指出其酸性比碳酸还弱。）
【板书设计】
三、硅
1．分布与存在：
存在：没有游离态，只有化合态
分布：自然界中分布广泛，在地壳中居第二位，仅次于氧。是构成矿物和岩石的主要成分。
2．物理性质
硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。硅的结构类似于金刚石，熔点和沸点都很高，硬度大。导电性介于导体和绝缘体之间。
3．化学性质
常温下，化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其他物质（如氧气、氯气、硫酸、硝酸等）起反应。在加热条件下，能跟一些非金属反应。
Si＋2H2△SiH4（不稳定）
Si＋O2△SiO2
Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑
4．硅的工业制法
SiO2＋2C高温2CO↑＋Si；
Si＋2Cl2△SiCl4；
SiCl4＋2H2高温Si＋4HCl。
5．用途
四、二氧化硅
1．物理性质和用途
2．化学性质
SiO2＋CaO高温CaSiO3；SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O
3．硅酸盐组成的表示方法
【典型例题】
例1下列有关物质的用途（括号中为用途）错误的是
A．锗和硅（半导体材料）
B．二氧化硅（制光导纤维）
C．水玻璃（用作粘合剂）
D．原硅酸（用作耐火材料）
选题目的：考查物质的用途要结合物质的性质。
解析：锗和硅的导电性介于导体和绝缘体之间，属于半导体，可作为半导体材料。纯净的二氧化硅晶体具有良好的折光性能，可用于制作光导纤维。水玻璃是Na2SiO3的水溶液，无色、黏稠、粘结性强，既不易燃烧又不易受腐蚀，可用作建筑工业粘合剂，木材、织物的防腐剂、防火剂。原硅酸是一种不溶于水的弱酸，不稳定，在空气中失去一部分水后变成硅酸，因此不能用作耐火材料。
答案：D
例2下列有关碳族元素的叙述中，不正确的是
A．碳族元素易形成共价化合物。
B．碳族元素最高价氧化物均易溶于水。
C．碳族元素中硅和锗可作半导体材料。
D．碳族元素的非金属性向金属性递变的趋势没有氮族元素明显。
解析：此题主要考查碳族元素的单质及化合物性质及其递变规律，碳族元素位于周期表中容易失去电子的主族元素和容易得到电子的主族元素中间位置，容易形成共价化合物，最高价氧化物并不是易溶于水的化合物，如SiO2就不溶。硅和锗在周期表的特殊位置，使其导电性介于导体和绝缘体之间，是重要的半导体材料。碳族元素的非金属性向金属性递变的趋势比氮族元素更明显。
答案：B、D。
启示：碳族元素性质的递变性和前面学过的典型的金属元素碱金属、典型的非金属元素卤族元素联系起来。
碳族元素、碱金属和卤族元素的熔点、沸点怎样变化？
答案：随着核电荷数的增加，熔点、沸点逐渐降低。
例3某无色混合气体中可能含有H2、CO、CO2、HCl、NH3及水蒸气中的两种或多种，当混合气体依次通过：（1）澄清石灰水（无浑浊现象）；（2）氢氧化钡（有浑浊现象）；（3）浓硫酸（无现象）；（4）灼热氧化铜（变红色）；（5）无水硫酸铜（变蓝色）。试分析该混合气体中肯定有什么，肯定没有什么，可能有什么。
解析：此题是一道由化学实验现象推断混合气体成分的应用题，要求有扎实的元素及其化合物知识，以及较强的逻辑分析推理能力。正确解答本题，可通过下列程序分析推理：（1）氢氧化钡溶液有浑浊现象，说明混合气体中一定含有CO2。（2）澄清石灰水无浑浊现象，说明混合气体中一定含有气体HCl，否则观察不到题中（1）的现象，而且气体的量至少应将Ca（OH）2完全中和，又因NH3和HCl不能共存，所以NH3肯定不存在。（3）浓硫酸起到干燥作用。（4）无水硫酸铜变蓝色，说明题中（4）反应中肯定产生了H2O（g），进一步推出混合气体中肯定含有H2。CO是否存在无法判断；原混合气体是否有水蒸气无法判断。
答案：混合气体中肯定有H2、CO2和HCl；肯定没有NH3；可能有CO、水蒸气。
强化训练：某无色混合气体，可能含有CO2、H2、SO2、水蒸气中的一种或几种。将混合气体依次通过无水硫酸铜、少量品红试液、澄清石灰水、灼热CuO时观察到的现象为：无水硫酸铜不变色，品红试液不褪色，澄清石灰水变浑浊，灼热的CuO变红色。根据以上实验现象可断定，该混合气体是由组成。
过程CO2、H2SO2、H2O（g）无水CuSO4
不变蓝色说明无H2O（g）品红试液
不褪色说明无SO2澄清石灰水
变浑浊说明有CO2灼热变红色说明有H2
所以，原混合气体是由CO2和H2组成。
例4Fe3O4按照氧化物的形式可表示为FeO·Fe2O3，若将其看作一种盐可表示为Fe（FeO2）2。（1）试根据化合价规则对Pb3O4用上述两种形式表示组成，其氧化物形式应为，其盐的形式应为。
（2）已知铅的＋2价化合物是稳定的，则铅的＋4价化合物应具有较强的氧化性。PbO2与浓盐酸可发生氧化还原反应生成Cl2。试写出Pb2O4与浓盐酸发生反应的化学方程式。
