课件40张PPT。 非金属及其化合物第四章 非金属及其化合物第一节第二节第三节第四节归纳与整理国产千万亿次超级计算机亮相
10月29日,随着第一台国产千万亿次超级计算机——“天河一号”在湖南长沙亮相,作为算盘这一古老计算器发明者,中国拥有了历史上计算速度最快的工具.“天河一号”计算机位居同日公布的中国超级计算机100强之首,也使中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。这个速度意味着,“天河一号”计算一天,一台配置Intel双核CPU、主频为2.5GHz的微机需要计算160年 。
“天河一号”由103台机柜组成,每个机柜占地1.44平方米、高两米、重1.5吨,系统总重量相当于19个神舟飞船。把通风等条件考虑在内,放置“天河一号”需要一个近千平方米的房间。
全系统运行情况下,每小时耗电1280度。能耗比即每瓦电创造的计算效能为4.3亿次运算,与目前峰值性能排名世界第一的美国“走鹃”超级计算机相当。
天气预报的结果,也是由超级计算机计算而来。目前世界最高水平可预报8天,我国为5至6天。但对于中长期预报特别是气候预报来说,目前世界上的超级计算机仍然是无法满足需求的,因为天气预报的计算需要10的18次方也就是每秒百万万亿次的速度。世界上一个公认的说法是,天气预报时效每增加一天,气象和计算机界需要努力10年。第一节 无机非金属材料的主角——硅Si最外层电子数是4,碳也是。思考2:碳、硅原子主要显几价?正四价(+ 4价)思考3:碳、硅在自然界分别以什么形式存在?①碳、硅都是亲氧元素。硅的亲氧性强于碳的亲氧性。②因此硅元素在自然界都是与氧的化合物的形态存在。思考1:硅原子最外层电子数是多少?我们很熟悉的哪种元素最外层电子数与它相同?1.二氧化硅(SiO2)硅石(天然)结晶形无定形约占地壳质量的12%纯净的SiO2晶体叫做水晶。石英具有彩色环带状或层状的叫玛瑙二氧化硅的结构因为在二氧化硅晶体中,每一个硅Si周围结合4个O;同时每个O与2个Si结合。因此它是Si与O按1 :2的原子个数比组成的具有空间网状结构的晶体。[SiO2]四面体不仅存在于SiO2晶体中,而且存在于所有硅酸盐矿石中,是构成多姿多彩的硅酸盐世界的基本骨架决定了SiO2具有优良的物理和化学性质水晶是一种无色透明的大型石英结晶体矿物。它的主要化学成份是二氧化硅,跟普通砂子是“同出娘胎”的一种物质。当二氧化硅结晶完美时就是水晶;二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙此为水晶原生矿,二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石;二氧化硅晶粒小于几微米时,就组成玉髓、燧石、次生石英岩。石英具有彩色环状或层状的称为玛瑙。分析异同,理解特性根据二氧化硅的存在和应用,请分析:
二氧化硅具有那些物理性质?
化学稳定性如何?你的根据是什么?
二氧化硅的这些性质是由什么决定的?
尝试与二氧化碳做比较.二氧化碳的晶体结构 二氧化硅的晶体结构思考与交流P76物理性质:___________________________________化学稳定性:____________________________硬度大、熔点高、难溶于水很稳定二氧化硅的化学性质可以与碱和碱性氧化物反应SiO2 + 2OH-=SiO32-+H2OSiO2 + 4HF =SiF4↑ + 2H2O与氢氟酸反应(腐蚀玻璃)﹡ 因为玻璃的主要成分二氧化硅与NaOH溶液反应生成对应的硅酸钠使瓶塞部分粘结而无法打开。 SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 +H2O
图 4-6 实验室盛放NaOH溶液的试剂瓶1 、实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸(HF)? 氢氟酸能腐蚀玻璃因此盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶。 SiO2 + 4HF =SiF4↑+ 2H2O
动动脑筋2、实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞?3、某同学根据SiO2既可与碱反应,也能与氢氟酸反应,推断SiO2为两性氧化物,是否正确?
不正确。因为二氧化硅只跟氢氟酸反应,不跟其它酸反应,且与氢氟酸反应也不是表现二氧化硅的碱性。故其属于酸性氧化物。
固体1610℃2230℃不溶大二氧化硅和硅酸的物理性质二氧化硅和二氧化碳的化学性质 SiO2+4HF= SiF4↑ +2H2O CO2+2NaOH = Na2CO3+H2OCO2+CaO=CaCO3与氢氟酸不反应SiO2+2NaOH =
Na2SiO3+H2O不反应 SiO2的制品 性质
光导纤维 熔点高
石英坩埚 光的折射效果好
玛瑙制精密轴承 酸性氧化物
水晶杯 二氧化硅的特性
氢氧化钠试剂瓶不能用磨口玻璃塞 难溶于水
玻璃雕花 硬度大
[思考]:CO2溶于水即生成H2CO3,SiO2不能与水反应得到H2SiO3 ,那么怎样才能制得H2SiO3 ?(提示:强酸制取弱酸)2、硅酸(1)H2SiO3 的制取
实验原理:Na2SiO3+2HCl = H2SiO3+2NaCl
F:新课程高中化学演示实验
步骤:在试管中加入3-5mL饱和
Na2SiO3溶液,滴入1-2滴酚酞
试剂,再用胶头滴管逐滴加入稀盐
酸,边加边振荡,直至溶液红色变
浅并接近消失时停止。
现象:红色褪去,并有软而透明的
胶冻状的凝胶生成
结论:Na2SiO3溶液呈碱性,H2SiO3
是一种胶体,浓度增大聚集成凝胶。 (2)性质弱酸性(酸性比碳酸弱),溶解度很小思考:如何通过实验证明硅酸酸性
比碳酸弱?(用化学方程式表示)热稳定性(易分解):H2SiO3=SiO2+H2O△Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3[拓展]如何利用SiO2制取硅酸?写出相应的化学方程式。
[解答]以二氧化硅为原料制取硅酸:
① SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
② Na2SiO3+CO2+H2O = Na2CO3+H2SiO3↓
SiO32- + H2O + CO2= CO32- + H2SiO3↓
或 Na2SiO3+2HCl= H2SiO3↓+2NaCl(3)用途
生成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶,经干燥脱水就形成硅酸干胶,称为“硅胶”。常常用做干燥剂,或催化剂的载体再见硅酸盐的丰富性和多样性人面鱼纹盆陶瓷日用器皿、建筑饰材、卫生洁具 分子筛具有均匀微孔结构的铝硅酸盐二、硅酸盐1、定义:由硅、氧和金属组成的化合物的总称。2、性质:大多不溶于水,化学性质稳定。活泼金属氧化物 + 不活泼金属氧化物 + 二氧化硅 + 水3、表示方法:(P77 资料卡片)4、硅酸钠 Na2SiO3放入水中的木条水分蒸发后燃烧,放入 Na2SiO3中的不燃烧Na2SiO3不易燃烧,可作防火剂② 化学性质:a 与酸反应:Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3↓b 与盐反应:Na2SiO3 + CaCl2 = 2NaCl + CaSiO3↓思考与讨论: Na2SiO3溶液在空气中久置会出现什么现象?原因?③ 用途:肥皂填料、木材防火剂及黏胶剂等① 物理性质:白色固体,可溶于水,水溶液俗称水玻璃,无色粘稠,可制备硅胶和木材防火剂。无机非金属材料新型无机非金属材料传统无机非金属材料陶
瓷玻
璃水
泥(新型陶瓷)(硅酸盐产品)高温结构陶瓷压电陶瓷透明陶瓷超导陶瓷④ 特殊含硅化合物——碳化硅SiC,俗名金刚砂 ,具有与金刚石类似的空间网状结构,硬度大,熔点高。① 玻璃主要成分:Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 (Na2O?CaO?6SiO2) Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2↑
CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2↑主要原料:纯碱、石灰石和石英 主要设备:玻璃窑 ② 水泥主要原料:粘土和石灰石、石膏适量(调节水泥硬化速度)主要成分: 硅酸三钙:3CaO·SiO2
硅酸二钙:2CaO·SiO2
铝酸三钙:3CaO·Al2O3主要设备:水泥回转窑 ③ 陶瓷主要原料:粘土 生物陶瓷——人造骨三、硅单质工业上,用焦炭在高温下还原石英砂可制得粗硅,又能跟氯气反应经提纯得到 SiCl4后再用氢气还原制得纯硅:硅的工业制备硅单质SiO2+2C=Si(粗)+2CO↑ ①Si(粗)+2Cl2=SiCl4 ②SiCl4+2H2=Si(纯)+4HCl ③1、存在和状态:(1)只有化合态,无游离态;(2)晶体硅和无定型硅。2、物理性质:灰黑色,有金属光泽、硬而脆的固体,熔沸点较高。3、化学性质:不活泼(1)常温下:② Si+4HF = SiF4+2H2↑③ Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2↑注:与酸(除HF)碱不反应,其它氧化剂,如Cl2、O2、H2SO4、HNO3等常温下都不与硅起反应。(2)加热时:与某些非金属反应Si+O2==SiO24、用途:半导体材料① Si+2F2 = SiF4 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。
半导体晶体管及芯片的出现,促进了信息技术革命
硅的用途价值5元的沙子SiO2Si点沙成金价值5000元的芯片二.硅及其化合物的作用硅的用途树形图再见第一节 无机非金属材料的主角——硅教学设计
教材分析:
硅是带来人类文明的重要元素之一,硅及其化合物是元素化合物知识的重要基础知识。本节内容不仅为形成化学基本观念提供感性基础,也为了解化学与生活,化学与社会发展,化学与技术进步之间的密切关系提供了丰富的素材。
本节的主要内容有硅在自然界中的存在形式、二氧化硅的性质、硅酸盐的性质、硅及化合物的用途。在教学中可采用碳和硅(同一主族相邻的两种元素)进行对比,突出它们的相似性与不同性。另外多运用日常生活中的事例进行教学,联系生产生活的实际,充分利用实物、模型、彩图、实物照片等形式,增强教学的直观行,激发学生的学习兴趣,培养学生热爱科学的情感。
教学目标:
知识与技能
了解硅的重要化合物的主要性质,认识硅及其化合物的主要用途。
联系生产生活实际,培养学生对知识的迁移能力。
过程与方法
采用对比的方法,联系碳、二氧化碳大等学生已有的知识、经验来介绍硅、二氧化硅等新知识。
运用日常生活中事例进行教学,增强教学的直观性。
情感态度与价值观
认识硅及其化合物的广泛哟鸥鸟国土,体会化学的创造性与实用性,并关注化学有关的实际问题。
利用实物、模型及学生自己手机的有关实物或照片,激发学生的学习兴趣,培养学生热爱科学的情感。
通过动手实验,培养学生实事求是的科学态度。
教学重点:
二氧化硅的性质
教学难点:
硅酸盐的丰富性和多样性。
教学方法:
对比法、讨论法、讲授法
教学安排:(二课时)
第一课时:二氧化硅、硅酸
第二课时:硅酸盐、单质硅
教学过程:(第一课时)
[导入]美国的硅谷——位于美国西海岸加利福尼亚州北部旧金山南郊,圣克拉拉县和圣胡安两城之间的一条长48公里,宽16公里的长条形地带上。由于它集中了全世界90%以上的著名半导体公司(思科、英特尔、惠普、朗讯、苹果) ,而半导体的基本元件是硅片,所以该地区被称为“硅谷”。该地区客观上成为美国高新技术的摇篮,
现在硅谷已成为世界各国半导体工业聚集区的代名词。也是高新科技的象征。
[师]既然硅这么重要,那么他是如何存在,有些什么性质呢?
[板书]§4-1无机非金属材料的主角——硅
[师]主角,我们足以看出硅的地位。我们看课本P46 图3-1,硅在地壳中的含量居第二,仅次与氧。
硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤、约占地壳总量的90%以上。
[学生活动]看图4-1
[师]大家在元素周期表中找到硅,并且写出硅和碳的原子结构示意图。
[学生活动]
C Si
[师]它们最外层均为四个电子,既不容易得到也不容易失去,性质稳定。但他们却是不可以忽视的:碳--统治了有机界:碳是构成有机物的主要元素;硅—统治了无机矿物界:硅是构成岩石与许多矿物的基本元素。
下面我们的学习就围绕着碳和硅的相似性进行学习。
[学生活动]回顾碳的相关知识
存在 酸性氧化物 弱酸
性质
[师]阅读课本P74-76页内容,从碳的性质总结硅、二氧化硅、硅酸的性质。
[学生活动]
[资料卡片] 在25℃和101kPa的条件下,由单质生成1molCO2时放热393.5kJ;而在同样条件下,生成1molSiO2时放热910.9kJ.放热越多,其生成物通常越稳定,可见SiO2比CO2更容易生成,而且更稳定。
[思考] 比较碳、硅亲合氧的能力及硅在自然存在形式?
[归纳] ①硅的亲氧性强于碳的亲氧性。
②因此硅元素在氧化气氛包围的地球上,硅主要以SiO2及硅酸盐形式存在。
[板书]1、二氧化硅 SiO2
[师]从课本P74-75的内容,大家对二氧化硅进行树型分类?
[学生思考、书写]
[展示]二氧化硅的结构模型
[师]二氧化硅晶体,基本结构单元是正四面体,每个Si结合4个O,每个O结合2个Si,形成空间网状结构。
正是这种结构,决定了其具有优良的物理和化学性质。
[思考与交流] 请根据SiO2的存在和应用思考:
二氧化硅具有哪些物理性质?化学稳定性如何?你的根据是什么?SiO2的这些性质是由什么决定的?
[学生活动]
[归纳、总结、板书]
物理性质:熔点高、硬度大
用途:建筑材料、饰品、工艺品
化学性质:稳定性好
[过渡]下面我们一起来看看SiO2的化学性质,玻璃的主要成分是二氧化硅和硅酸盐,我们通过其性质,来看SiO2的性质。
[师]我们可以用玻璃瓶来装试剂:酸、碱、盐,这可以看出其化学性质稳定,不能够跟一般的酸发生反应,除HF外。
[板书]a、不与酸反应,氢氟酸除外
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
用途:可以在玻璃上雕刻花纹等
[师]因为HF酸可以和SiO2反应,所以HF的保存就不能使用玻璃瓶,而用塑料或橡胶瓶,我们可以用这个性质在玻璃上雕刻花纹,量器上雕刻刻度等。
[展示]装有NaOH的试剂瓶
[思考]一般的试剂瓶都使用玻璃瓶塞,而这个试剂瓶使用的是橡胶塞,为什么?
[思考、讨论]
[总结]我们开始将CO2和SiO2比较,CO2是酸性氧化物,SiO2也是酸性氧化物,所以其具有酸性氧化物的通性,即能与碱、碱性氧化物反应。
[板书]b、与碱性氧化物反应
C、与碱反应
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
[师]正是因为其能与NaOH发生反应,所以其瓶塞使用的是橡胶塞。
[过渡]CO2溶于水生成H2CO3,SiO2我们知道它是不能溶于水的,它有没有对应的酸呢?如何制取呢?
[思考]碳酸的制取,使用的是强酸制弱酸的方法,那么硅酸是不是也可以使用同样的方法获得呢?
[探究实验4-1]试管中取3ml Na2SiO3溶液,滴入2滴酚酞,逐滴加入稀HCl,边加边振荡,至红色变浅并接近消失时停止。
[学生活动]观察、思考
[总结、归纳、板书]2、硅酸
实验过程:
现象:红色消失,生成白色凝胶
结论:硅酸钠转化为硅酸
反应:Na2SiO3+2HCl=H2SiO3(胶体)+2NaCl
[师]硅酸凝胶经干燥脱水后的到多空的硅酸干凝胶,称为“硅胶”。硅胶多空,吸附水的能力强,常用作实验室和袋装食品、瓶装药品的干燥剂,也可以作催化剂的载体。
[课堂练习] 1、下列各组物质有关性质关系的比较,正确的是( )
A.溶解性:CO2 H2CO3
C.熔点:SiO2 > CO2(干冰) D.硬度: SiO2 2、要除去SiO2中的CaO杂质,最适宜的试剂是( )
A、纯碱溶液 B、盐酸
C、硫酸 D、氢氧化钠溶液
[总结]本节课我们主要学习了二氧化硅的存在、用途、性质和硅酸的制取、用途。需要重点掌握二氧化硅的性质和硅酸的制取。
板书设计:
§4-1无机非金属材料的主角——硅
1、二氧化硅 SiO2
物理性质:熔点高、硬度大
用途:建筑材料、饰品、工艺品
化学性质:稳定性好
a、不与酸反应,氢氟酸除外
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
用途:可以在玻璃上雕刻花纹等
b、与碱性氧化物反应
C、与碱反应
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
2、硅酸
实验过程:
现象:红色消失,生成白色凝胶
结论:硅酸钠转化为硅酸
反应:Na2SiO3+2HCl=H2SiO3(胶体)+2NaCl
硅在高新技术中的应用
单晶硅作为半导体器件的核心材料,大大地促进了信息技术的革命。自20世纪中叶以来,单晶硅随着半导体工业的需要而迅速了展。到1996年全球半导体产业销售额达到1410亿美元,而其中单晶硅材料的销售达到74亿美元。中国消耗的大部分集成电路及其硅片主要依赖进口。但我国科技人员正迎头赶上,于1998年成功地制造出了12英寸单晶硅,标志着我国单晶硅生产进入了新的发展时期。
信息材料技术是新材料技术的重要组成部分,也是信息技术尤其是电子信息技术发展的基础。从目前情况来看,硅半导体仍然是集成电路的主要材料。据估计在21世纪内,硅仍然会占半导致体材料的95%以上。
微电子与生物技术紧密结合的以DNA芯片等为代表的生物工程是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。采用微电子加工技术,可以在指甲盖大小的硅片上制作出含有多达10~20万种DNA基因片段的芯片.利用这种芯片可以在短时间内检测或发现遗传基因的变化等情况。这无疑对遗传学研究、疾病诊断与治疗、转基因工程等具有极其重要的作用。
教学反思:
教学过程: (第二课时)
[复习引入] 上节课我们学习了二氧化硅的性质和用途和硅酸的制取用途。
对照它们之间的转化关系,写出相应的方程式。
[学生活动]书写相关的化学方程式。
[创设情境]在农田的施肥中,如何才能使,K+更大程度的吸收呢?联系胶体的性质进行思考。
[学生活动]阅读P77 ,科学视野。
[师]硅酸盐岩石长期在水和大气中二氧化碳侵蚀下,风化为黏土,并且形成土壤胶体。土壤胶体带负电,与,K+等营养离子相结合,使土壤具有保肥作用。
土壤、岩石中都含有大量硅酸盐,硅酸盐在自然界中分布极广,其结构复杂,大多数不溶于水,化学性质稳定。
[展示]Na2SiO3溶液
[师]SiO2与NaOH反应生成的Na2SiO3就一种最简单的硅酸盐,其能够溶于水,水溶液俗称为水玻璃,是制备硅胶和木材防火剂的主要原料。
[实验4-2]取两个滤纸片,分别浸在水和水玻璃中,取出,放在酒精灯外焰上。
[学生活动]观察、填表。
放入蒸馏水
放入Na2SiO3饱和溶液
现象
结论
[师]浸泡在Na2SiO3饱和溶液的滤纸不能燃烧,所以其可以作木材的防火剂。
[师]看图4-8 应用广泛的硅酸盐产品
[学生活动]阅读课本P78-79内容,填写下表
[板书]
原料
生产设备
主要成分
水泥
玻璃
陶瓷
[师]以上我们介绍的是传统的无机非金属材料,现在非金属材料发展迅速,出现了许多具有特殊功能的材料。
介绍SiC、硅钢、硅橡胶、新型陶瓷等内容。
[学生活动]阅读课本P79,单质硅,完成下列问题。
[板书] (1)硅单质的存在形式:有__________和 ________两种。
(2)物理性质:________________________________________。
(3)化学性质:常温下___________。
(4)硅的用途:高纯硅是良好的_______材料,于制造集成电路、太阳能电池等。
[师]指导学生完成,并介绍相关内容
[总结]这节课我们主要学习了硅酸盐和单质硅的相关知识。需要重点掌握传统的无机非金属材料水泥、玻璃、陶瓷的原料,生产过程和主要成分,以及硅做半导体的特性的用途。
板书设计:
硅酸盐
原料
生产设备
主要成分
水泥
玻璃
陶瓷
硅单质
(1)硅单质的存在形式:有__________和 ________两种。
(2)物理性质:________________________________________。
(3)化学性质:常温下___________。
(4)硅的用途:高纯硅是良好的_______材料,于制造集成电路、太阳能电池等。
光导纤维
从高纯度的二氧化硅或称为石英玻璃熔融体中,拉出直径约为100μm的细丝,称为石英玻璃纤维。玻璃可以透光,但在传输过程中光损耗很大,用石英玻璃纤维光损耗大为降低,故这种纤维称为光导纤维,是精细陶瓷的一种。
利用光导纤维可进行光纤通信。激光的方向性强、频率高,是进行光纤通信的理想光源。光纤通信与电波通信比较,光纤通信能提供更多的通信通路,可满足大容量通信系统的需要。
光导纤维一般由两层组成,里面一层称为内芯,直径几十微米,但折射率较高;外面一层称包层,折射率较低。从光导纤维一端入射的光线,经内芯反复折射而传到末端,由于两层折射率的差别,使进入内芯的光始终保持在内芯中传输着。光的传输距离与光导纤维的光损耗大小有关,光损耗小,传输距离就长,否则就需要用中继器把衰减的信号放大。用最新的氟玻璃制成的光导纤维,可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需要中继站。
在实际使用时,常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强处理,制成像电缆一样的光缆,这样既提高了光导纤维的强度,又大大增加了通信容量。
用光缆代替通信电缆,可以节省大量有色金属,每公里可节省铜1.1吨、铅2~3吨。光缆有质量轻、体积小、结构紧凑、绝缘性好、寿命长、输送距离远、保密性好、成本低等优点。光纤通信与数字技术及计算机结合起来,可以用于传送电话、图像、数据、控制电子设备和智能终端等,起到部分取代通信卫星的作用。
光损耗大的光导纤维可在短距离使用,特别适合制作各种人体内窥镜,如胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等,对诊断、医治各种疾病极为有利。
教学反思: