高三化学一轮复习公开课《第21讲 碳，硅及无机非金属材料——基于_材料的文明史：从陶器到芯片》教学设计

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高三一轮复习 第21讲 碳、硅及无机非金属材料——基于材料的文明史：从陶器到芯片 教案
（人教版2019必修1 第四章 非金属及其化合物）
一、教材及学情分析
教材分析
本课时属于高三一轮复习“非金属及其化合物”模块的总结拓展内容，对应人教版2019必修1第四章“非金属及其化合物”中碳、硅及无机非金属材料的核心考点。教材原章节从碳、硅的原子结构出发，介绍其单质、化合物的性质及应用，本复习课则以“材料发展的文明史”为情境线索，将“碳、硅的原子结构-性质-转化-应用”“无机非金属材料的组成-性能-用途”进行体系化整合，通过情境驱动、模型构建、真题关联，帮助学生建立“结构-性质-材料应用”的完整认知链条。本课时的复习既巩固了非金属元素化合物的核心逻辑，又实现了理论与材料工业应用的深度结合，贴合《普通高中化学课程标准（2022年版）》中“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”等核心素养的培养要求。
学情分析
学生为高三年级，已掌握碳、硅及其化合物的基础性质，但面对高考中“陌生情境下的性质迁移（如新型无机非金属材料的性能与组成关联）、复杂转化的逻辑推导（如工业制硅的流程分析）、材料应用中的性质匹配（如芯片用高纯硅的制备原理）”等高频难点时，难以精准关联原子结构与材料性能、忽略工业流程中的转化细节、对新型无机非金属材料的认知停留在概念层面。为帮助学生克服这些困难，教师采用“文明史情境驱动-模型构建-真题迁移”的教学逻辑，将抽象的化学性质融入具体的材料发展任务中，提升学生的知识迁移与综合应用能力。
二、教学目标
结合《普通高中化学课程标准（2022年版）》及高三一轮复习的核心要求，围绕化学学科核心素养制定如下教学目标：
1. 宏观辨识与微观探析：从碳、硅的原子结构（最外层4个电子，既得电子又失电子，具有两性）出发，认知宏观化学性质（碳的还原性、硅的半导体性），建立“微观结构-宏观性质-材料应用”的递进认知，深化“结构决定性质，性质决定用途”的核心逻辑。
2. 证据推理与模型认知：构建“非金属元素分析模型”（结构-性质-转化-材料），基于材料情境中的组成、性能等证据，准确推导碳、硅化合物的转化产物、分析无机非金属材料的性能与应用、推导工业制硅的流程逻辑，提升模型迁移与逻辑推导能力。
3. 科学探究与创新意识：通过对“陶器制备、芯片制造”等材料发展任务的拆解与小组探究，合作分析材料性能与化学性质的关联、工业流程中的转化逻辑，培养从材料信息中提取证据、推导反应原理的探究能力。
4. 科学态度与社会责任：了解碳、硅及其化合物在材料文明史（如陶器、玻璃、芯片）中的应用价值，认识无机非金属材料对推动人类文明与科技发展的重要意义，增强科学服务社会的责任意识。
三、教学重难点
教学重点
碳、硅的核心性质与结构关联：
碳：最外层4个电子，具有还原性，与氧气、二氧化碳反应（，），单质有金刚石（原子晶体）、石墨（混合晶体）、C （分子晶体）
硅：最外层4个电子，具有半导体性，与氧气、氢氟酸反应（，），单质为原子晶体
重要化合物的性质与转化逻辑：
碳的化合物：CO（还原性）、CO （酸性氧化物）、H CO （弱酸）、碳酸盐（Na CO 、NaHCO ）
硅的化合物：SiO （酸性氧化物，与强碱、氢氟酸反应，，）、H SiO （弱酸，溶解度小），转化：
无机非金属材料的组成与性能：
传统无机非金属材料：陶瓷（黏土）、玻璃（Na SiO 、CaSiO 、SiO ）、水泥（硅酸三钙、硅酸二钙）
新型无机非金属材料：高纯硅（芯片）、光导纤维（SiO ）、高温结构陶瓷（SiC）
教学难点
碳、硅的化合物的转化逻辑：如工业制硅的流程（）、碳酸盐与碳酸氢盐的转化
无机非金属材料的性能与组成的关联：如芯片用高纯硅的半导体性、光导纤维的光学性能
陌生情境下的产物推导：如硅与强碱反应（）的反应逻辑
四、教学设计
教学过程 时间分配 教师活动 学生活动 设计意图
导入环节：材料文明史情境任务驱动 5分钟 1. 展示陶器碎片、玻璃制品、芯片等材料的图片，提出真实任务：“（1）为什么陶器、玻璃、芯片都属于无机非金属材料？（2）碳、硅元素在这些材料中的作用是什么？（3）如何从自然界中的碳、硅资源制备这些材料？”
2. 提出问题链：
① 碳、硅的原子结构如何影响其在材料中的性能？
② 陶瓷、玻璃、芯片的制备流程各利用了哪些化学性质？
③ 新型无机非金属材料与传统材料的差异是什么？
3. 梳理学生的初步回答，提炼出“结构、性质、转化、材料性能”等关键词，引出本节课主题：构建非金属元素分析模型，突破碳、硅及无机非金属材料的高考综合题。 1. 认真观察情境图片，结合已有知识思考问题链
2. 举手发言，分享自己对碳、硅及无机非金属材料的理解
3. 明确本节课的复习目标：掌握碳、硅及其化合物的核心性质、转化逻辑与材料应用，解决高考综合问题。 1. 以材料文明史的真实情境导入，贴合高三复习的“理论-应用”结合需求，激发学生的学习主动性
2. 通过问题链将抽象的化学性质转化为具体材料任务，明确复习方向
3. 建立“真实材料情境-高考核心考点”的直接关联
讲授环节一：碳、硅的原子结构与核心性质模型构建 12分钟 1. 构建“碳/硅结构-性质-材料”模型：
（1）碳的结构与核心性质：
① 原子结构：最外层4个电子，既得电子又失电子，具有两性，化合价可从-4到+4价变化（核心本质）
② 化学性质：
还原性：与氧气、二氧化碳反应（，），用于工业炼铁（）
同素异形体：金刚石（原子晶体，硬度大，用于切割）、石墨（混合晶体，导电，用于电极）、C （分子晶体，用于材料科学）
③ 材料应用：金刚石用于切割工具、石墨用于电极、C 用于新型材料
（2）硅的结构与核心性质：
① 原子结构：最外层4个电子，既得电子又失电子，具有半导体性（核心本质）
② 化学性质：
半导体性：用于芯片制造，导电性介于导体与绝缘体之间
与氧气、氢氟酸反应（，），与强碱反应（）
③ 材料应用：高纯硅用于芯片、单晶硅用于太阳能电池
2. 强调：碳的核心是“两性+同素异形体”，硅的核心是“半导体性+与特殊物质的反应”，所有性质与材料应用均源于原子结构的差异。 1. 跟随教师梳理，在笔记本上绘制碳/硅的结构-性质-材料模型，标注结构与性质的关联
2. 结合芯片制造案例，硅的半导体性与材料应用的关联，标注价态变化
3. 思考：“为什么碳的同素异形体性质差异大？”并举手发言分享思路
4. 总结碳、硅的核心性质与材料应用，重点标注结构与性质的关联、材料应用的逻辑。 1. 构建结构化的结构-性质-材料模型，帮助学生系统认知碳、硅的核心性质与材料应用
2. 强调同素异形体、半导体性等核心概念，解决高考中碳、硅性质差异的高频难点
3. 结合材料应用场景，提升学生对性质迁移的理解能力
讲授环节二：碳、硅的重要化合物性质与转化逻辑 12分钟 1. 构建“碳、硅化合物转化模型”：
（1）碳的化合物：
① CO：具有还原性，用于工业炼铁（）
② CO ：酸性氧化物，与水、碱反应（，）
③ 碳酸盐：Na CO （正盐，与酸反应）、NaHCO （酸式盐，与酸、碱反应，受热分解），转化：
（2）硅的化合物：
① SiO ：酸性氧化物，与强碱反应生成Na SiO （），与氢氟酸反应生成SiF （），不与水反应
② Na SiO ：与酸反应生成H SiO 沉淀（），为玻璃的主要成分
③ H SiO ：弱酸，受热分解生成SiO （）
（3）核心转化：
2. 强调：碳的化合物转化核心是“CO/CO 的还原性/酸性”，硅的化合物转化核心是“SiO 的酸性氧化物性质”，转化逻辑围绕物质的酸碱性、氧化性/还原性展开。 1. 跟随教师梳理，在笔记本上绘制碳、硅化合物转化模型，标注转化条件与反应式
2. 结合工业制硅案例，硅的化合物转化逻辑与材料应用的关联，标注价态变化
3. 思考：“为什么SiO 不与水反应？”并举手发言分享思路
4. 总结碳、硅化合物的核心性质与转化逻辑，重点标注转化条件、反应产物。 1. 构建结构化的转化模型，帮助学生清晰掌握碳、硅化合物的转化逻辑
2. 强调转化条件与反应产物，解决高考中转化关系判断的高频难点
3. 结合工业制硅案例，提升学生对性质迁移的理解能力与应用能力
实践环节一：小组合作——工业制硅流程探究 10分钟 1. 将学生分成4人小组，发放“工业制硅流程探究任务单”，选取2023年全国卷Ⅰ的工业流程真题：
“工业上以SiO 为原料制备高纯硅的流程如下：SiO 粗SiSiCl 高纯Si
回答下列问题：
（1）写出SiO 与C高温反应的化学方程式，分析C的作用
（2）写出粗Si与Cl 反应的化学方程式，分析反应条件
（3）写出SiCl 与H 反应的化学方程式，分析H 的作用
（4）工业制硅流程中为何要通过SiCl 中间产物？”
2. 巡回指导各小组，针对小组的疑问进行点拨，如“SiCl 中间产物的作用”
3. 请1个小组展示探究结果，其他小组进行补充与评价，最后教师总结：
（1），C作为还原剂，将SiO 还原为Si
（2），高温条件促进反应进行
（3），H 作为还原剂，将SiCl 还原为Si
（4）SiCl 为沸点较低的共价化合物，易于提纯与分离，可得到高纯硅。 1. 4人小组分工合作，每人负责1个问题的分析，共同完成任务单
2. 小组内讨论争议点，如“SiCl 中间产物的作用”“SiO 与C反应为何不生成CO ？”
3. 小组代表上台展示探究结果，结合结构-性质模型讲解反应原理
4. 记录教师总结的核心结论，强化工业制硅流程的逻辑。 1. 通过小组合作演练工业流程真题，让学生在真实工业情境中应用结构-性质模型，提升知识迁移能力与合作探究能力
2. 重点突破工业制硅流程中的反应原理、中间产物的作用等高频难点，及时纠正学生的认知误区
3. 培养学生的合作探究能力与表达能力
讲授环节三：无机非金属材料的组成与性能分析 8分钟 1. 构建“无机非金属材料-组成-性能-应用”模型：
（1）传统无机非金属材料：
① 陶瓷：主要成分为硅酸盐，性质稳定、耐高温，用于餐具、建筑材料
② 玻璃：主要成分为Na SiO 、CaSiO 、SiO ，性质透光、耐腐蚀，用于门窗、玻璃制品
③ 水泥：主要成分为硅酸三钙（3CaO·SiO ）、硅酸二钙（2CaO·SiO ），性质水硬性、耐用，用于建筑材料
（2）新型无机非金属材料：
① 高纯硅：主要成分为Si，性质半导体性，用于芯片、太阳能电池
② 光导纤维：主要成分为SiO ，性质光学性能好，用于通讯
③ 高温结构陶瓷：主要成分为SiC、Si N ，性质耐高温、高强度，用于航天材料
2. 强调：无机非金属材料的性能由其组成决定，传统材料主要为硅酸盐，新型材料主要为高纯硅、SiC等，性能与应用高度匹配。 1. 跟随教师梳理，在笔记本上绘制无机非金属材料-组成-性能-应用模型，标注组成与性能的关联
2. 结合光导纤维案例，SiO 的光学性能与材料应用的关联，标注价态变化
3. 思考：“为什么高温结构陶瓷耐高温？”并举手发言分享思路
4. 总结无机非金属材料的核心性能与应用，重点标注组成与性能的关联、材料应用的逻辑。 1. 构建结构化的材料模型，帮助学生系统认知无机非金属材料的组成与性能
2. 强调材料性能与组成的关联，解决高考中无机非金属材料性能匹配的高频难点
3. 结合材料应用场景，提升学生对性质迁移的理解能力与应用能力
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