Кремний и его соединения

План-конспект урока по теме «Кремний и его соединения».

Цель: систематизировать знания у учащихся о кремнии.

Задачи:

1) обучения – сформировать знания о таком химическом элементе, как кремний; актуализировать знания о его строении, физических и химических свойствах и о видах аллотропии;

2) воспитания – способствовать формированию личностных качеств, обеспечивающих дисциплинированность, ответственность, активность ученика на уроке;

3) развития – способствовать развитию мышления учащихся; способствовать развитию умения анализировать, сравнивать, обобщать, запоминать химический материал; способствовать развитию самостоятельной работы учащихся.

Предполагаемые результаты:

1) предметные – выражать основные знания о кремнии, его строении, физических и химических свойствах и видах аллотропии;

2) личностные – выражать активность, увлеченность, наблюдательность, дисциплинированность на уроке химии;

3) метапредметные – выражать умение анализировать, сравнивать, обобщать, запоминать химический материал.

Тип (вид) урока: комбинированный.

Методы: словесные (объяснения, беседа, рассказ), практические (самостоятельная работа по оформлению записей в тетрадь).

Оборудование: учебник, мультимедийный комплекс.

Оборудование:

Реактивы:

Ход урока:

I. Вводно-мотивационный этап

Учитель: Здравствуйте, садитесь! Дежурный, назовите отсутствующих!

Ученик: (называет отсутствующих, если они имеются).

Учитель: Я рада всех вас видеть сегодня на уроке. Мы продолжаем изучать основы удивительной, но в тоже время и сложной науки – химии.

II. Целеполагающий этап

Учитель: Угадайте, о каком химическом элементе идет речь? Это второй по распространенности после кислорода химический элемент. Земная кора более чем на четверть состоит из его соединений. О каком же химическом элементе идет речь.

Ученики: Речь идет о таком химическом элементе, как кремний.  

Учитель: Итак, тема нашего урока: «Кремний и его соединения». Давайте сформулируем цель нашего урока.

Ученики: Цель урока: изучить особенности строения, свойства, способы получения и области применения кремния и его соединений.

 III. Актуализирующий знания и способы действия этап

Учитель: Для того чтобы перейти к изучению новой темы давайте вспомним, чему равно число протонов, электронов, нейтронов?

Ученики: число протонов равно порядковому номеру элемента в таблице Д. И. Менделеева, число нейтронов находят по формуле: N = A – Z, где Z – порядковый номер, A– массовое число, число электронов равно числу протонов или порядковому номеру.

IV. Формирующий новые знания и совершенствующий способы действия этап

ремний – элемент IV группы и 3-го  периода,  порядковый номер 14,  А=28,  

14 протонов и 14 нейтронов,  14 электронов. Строение его электронной

оболочки следующая:   14 Si 2e 8e 4e

ремний – элемент IV группы и 3-го  периода,  порядковый номер 14,  А=28,  

14 протонов и 14 нейтронов,  14 электронов. Строение его электронной

оболочки следующая:   14 Si 2e 8e 4e

ремний – элемент IV группы и 3-го  периода,  порядковый номер 14,  А=28,  

14 протонов и 14 нейтронов,  14 электронов. Строение его электронной

оболочки следующая:   14 Si 2e 8e 4e

Учитель: Давайте дадим общую характеристику кремнию. Где в Периодической  системе Д. И. Менделеева находится кремний?

Ученики: Кремний находится под порядковым номером –14, в 3 периоде, в 4 группе главной подгруппе.

Учитель: Сколько протонов, электронов, нейтронов  у кремния?

Ученики: Число протонов – 14; число электронов – 14; число нейтронов – 14.

Учитель: Сколько электронов на внешнем уровне?

Ученики: Число электронов на внешнем уровне  4.

Учитель: Какая электронная формула у кремния?

Учитель: Электронная формула кремния – 1s²2s²2p⁶3s²3p²

Учитель: Какая электронно-структурная формула кремния?

Ученики: +14 Si)₂)₈)₄

Наличие двух неспаренных электронов свидетельствует о том, что кремний способен проявлять степень окисления +2.

Учитель: Какие степени окисления могут быть?

Ученики: Степени окисления: –4, +2, +4,0

 Учитель: Кремний в свободном виде в природе не встречается в отличие от углерода. Кремний – неметалл, который существует в кристаллическом и аморфном виде. Кристаллический кремний – серовато-стального цвета с металлическим блеском, твёрдый, но хрупкий.  Если вы пользуетесь микрокалькулятором с солнечной батарейкой, то, вероятно, имеете представление о кристаллическом кремнии. Это полупроводник. В отличие от металлов с повышением температуры его электропроводность увеличивается. На спутниках, космических кораблях и станциях устанавливают солнечные батареи, преобразующие солнечную энергию в электрическую. В них работают кристаллы полупроводников, и в первую очередь кремния. Аморфный кремний представляет собой порошок.

Давайте теперь рассмотрим основные соединения кремния. Наиболее распространенным соединением кремния является оксид кремния (IV) – SiO₂, другое его название — кремнезем. В природе он образует минерал кварц и многие разновидности, такие, как горный хрусталь и его знаменитая лиловая форма — аметист, а также агат, опал, яшма, халцедон, сердолик, которые известны как поделочные и полудрагоценные камни. Оксид кремния — это также обычный и кварцевый песок. Из разновидностей минералов на основе диоксида кремния — кремня, халцедона и других первобытные люди изготовляли орудия труда. Именно кремень, этот невзрачный и не очень прочный камень, положил начало каменному веку — веку кремневых орудий труда. Причин этому две: распространенность и доступность кремня, а также его способность образовывать при сколе острые режущие края.

Второй тип природных соединений кремния — это силикаты. Среди них наиболее распространены алюмосиликаты (понятно, что эти силикаты содержат алюминий). К алюмосиликатам относятся гранит, различные виды глин, слюды. Силикатом, не содержащим алюминий, является, например, асбест.

Важнейшее соединение кремния — оксид SiO₂ необходим для жизни растений и животных. Он придает прочность стеблям растений и защитным покровам животных. Благодаря ему тростники, камыши и хвощи стоят крепко, как штыки, острые листья осоки режут, как ножи, стерня на скошенном поле колет, как иголки, а стебли злаков настолько крепки, что не позволяют ниве на полях ложиться от дождя и ветра. Чешуя рыб, панцири насекомых, крылья бабочек, перья птиц и шерсть животных прочны, так как содержат кремнезем.

Кремний придает гладкость и прочность костям человека. Кремний входит и в состав низших живых организмов — диатомовых водорослей и радиолярий, — нежнейших комочков живой материи, которые создают свои непревзойденные по красоте скелеты из кремнезема.

Химические свойства:

1. Кремний горит в кислороде, образуя известный уже вам диоксид кремния, или оксид кремния(IV):

Si + O₂ → SiO₂

2. Будучи неметаллом, при нагревании он соединяется с металлами с образованием силицидов, например:

Si + 2Mg → Мg₂Si

Силициды легко разлагаются водой или кислотами, при этом выделяется газообразное водородное соединение кремния — силан:

Мg₂Si + 2Н₂SO₄ → 2MgSO₄ + SiH₄↑

Cилан на воздухе самовоспламеняется и сгорает с образованием диоксида кремния и воды:

SiH₄ + 2O₂ → SiO₂ + 2Н₂О

Повышенная реакционная способность силана по сравнению с метаном СН₄ объясняется тем, что у кремния больше размер атома, чем у углерода, поэтому химические связи Si—Н слабее связей С—Н.

3. Кремний взаимодействует с концентрированными водными растворами щелочей, образуя силикаты и водород:

Si + 2NаОН + Н₂O → Na₂SiО₃ + 2Н₂↑

Записи в тетрадь:

1) Si + O₂ → SiO₂

2) Si + 2Mg → Мg₂Si

3) Мg₂Si + 2Н₂SO₄ → 2MgSO₄ + SiH₄↑

4) SiH₄ + 2O₂ → SiO₂ + 2Н₂О

5) Si + 2NаОН + Н₂O → Na₂SiО₃ + 2Н₂↑

Получение кремния

Кремний получают, восстанавливая его из диоксида магнием или углеродом.

1) SiO₂ + 2С → Si + 2СО↑

2) SiO₂ + 2 MgO → 2 MgO + Si

Записи в тетрадь:

1) SiO₂ + 2С → Si + 2СО↑

2) SiO₂ + 2 MgO → 2 MgO + Si

Химические свойства оксида кремния (IV)

Оксид кремния(IV), или диоксид кремния, или кремнезем, как и СO₂, является кислотным оксидом. Однако в отличие от СO₂ имеет не молекулярную, а атомную кристаллическую решетку. Поэтому SiO₂ твердое и тугоплавкое вещество. Он не растворяется в воде и кислотах, кроме, как вы знаете, плавиковой, но взаимодействует при высоких температурах со щелочами с образованием солей кремниевой кислоты — силикатов:

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

Силикаты натрия и калия называют растворимым стеклом. Их водные растворы — это хорошо известный силикатный клей.

 Силикаты можно получить также сплавлением диоксида кремния с оксидами металлов или с карбонатами:

SiO₂ + СаО → СаSiO₃

SiO₂ + СаСO₃ → СаSiO₃ + СO₂↑

Из растворов силикатов действием на них более сильных кислот — соляной, серной, уксусной и даже угольной получается кремниевая кислота Н₂SiO₃.

Демонстрационный опыт «Получение кремниевой кислоты»

Оборудование: пробирка, штатив, пипетка, пробиркодержатель.

Реактивы: силикат натрия или силикатный клей, раствор соляная кислота, вода.

Ход опыта:

К 1 мл силикатного клея  прилейте 2-3 мл воды. Далее к полученному раствору прилейте раствор соляной кислоты.

Вопрос к учащимся: Что вы наблюдаете?

Правильный ответ: Выпадает студенистый осадок.

Химизм опыта: Na₂SiO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂SiO₃

Вывод: Кремниевая кислота – единственная нерастворимая неорганическая кислота, выпадает из реакционной смеси в виде студенистого осадка, иногда заполняющего компактно весь объем раствора, превращая его в полутвердую массу, похожую на студень, желе. При высыхании этой массы образуется высокопористое вещество — силикагелъ, широко применяемый в качестве адсорбента — поглотителя других веществ.

Применение кремния. Вы уже знаете, что кремний применяют для получения полупроводниковых материалов, а также кислотоупорных сплавов. При сплавлении кварцевого песка с углем при высоких температурах образуется карбид кремния SiC, который по твердости уступает только алмазу. Поэтому его используют для затачивания резцов металлорежущих станков и шлифовки драгоценных камней. Из расплавленного кварца изготавливают различную кварцевую химическую посуду, которая может выдерживать высокую температуру и не трескается при резком охлаждении. Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Обычное оконное стекло имеет состав, который можно выразить формулой:

Nа₂О • СаО • 6SiO₂

Его получают в специальных стекловаренных печах сплавлением смеси соды, известняка и песка. Отличительная особенность стекла — способность размягчаться и в расплавленном состоянии принимать любую форму, которая сохраняется при застывании стекла. На этом основано производство посуды и других изделий из стекла. Стекло — одно из древнейших изобретений человечества. Уже 3—4 тыс. лет назад производство стекла было развито в Египте, Сирии, Финикии и Причерноморье. Высокого совершенства в стеклоделии достигли мастера Древнего Рима. Они умели получить цветные стекла и делать из кусочков такого стекла мозаики. Стекло — это материал не только ремесленников, но и художников. Произведения искусства из стекла являются обязательными атрибутами любого крупного музея. А цветные витражи церквей, мозаичные панно — яркие тому примеры. В одном из помещений Санкт-Петербургского отделения Российской Академии наук находится мозаичный портрет Петра I, выполненный М. В. Ломоносовым. Дополнительные качества стеклу придают различные добавки. Так, введением оксида свинца получают хрустальное стекло, оксид хрома окрашивает стекло в зеленый цвет, оксид кобальта — в синий и т. д.

Области применения стекла очень обширны. Это оконное, бутылочное, ламповое, зеркальное стекло; стекло оптическое — от стекол очков до стекол фотокамер; линзы бесчисленных оптических приборов — от микроскопов до телескопов.

Другой важный материал, получаемый на основе соединения кремния, — цемент. Его получают спеканием глины и известняка в специальных вращающихся печах. Если порошок цемента смешать с водой, то образуется цементное тесто, или, как его называют строители, «раствор», который постепенно затвердевает. При добавлении к цементу песка или щебня в качестве наполнителя получают бетон. Прочность бетона возрастает, если в него вводится железный каркас, — получается железобетон, из которого готовят стеновые панели, блоки перекрытий, фермы мостов и т. д.

Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.

Открытие кремния. Хотя уже в глубокой древности люди широко использовали в своем быту соединения кремния, сам кремний в элементарном состоянии был впервые получен в 1825 г. шведским химиком Й. Я. Берцелиусом. Однако за 12 лет до него кремний получили Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар, но он был очень загрязнен примесями. Латинское название силициум берет свое начало от лат. силекс — кремень. Русское название «кремний» происходит от греч. кремнос — утес, скала.

V. Диагностический этап

– познавательный показатель – учащиеся называют общую характеристику кремния и записывают уравнения реакций, характерные для кремния и его соединений;

– деятельностный показатель – использование дедукции для выражения значения кремния в жизни человека;

– ценностно-ориентированный – учащиеся проявляют познавательный интерес к изучению химии.

VI. Контрольно-оценочный этап

Задание 1. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

а) SiO₂ → Si → Са₂Si → SiH₄ → SiO₂ → Si

б) Si → SiO₂ → Nа₂SiO₃ → Н₂SiO₃ → SiO₂ → Si

Правильный ответ:

 А) 1) SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑

2) Si + 2Ca → Ca₂Si

3) Ca₂Si + 4HCl → 2CaCl₂ + SiH₄↑

4) SiH₄ + 2O₂ → SiO₂ + 2H₂O

5) SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO

Б) 1) Si + O₂ → SiO₂

2) SiO₂ + Na₂O → Na₂SiO₃

3) Na₂SiO₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + H₂SiO₃

4) H₂SiO₃ → H₂O + SiO₂

5) SiO₂ + C → Si + CO₂ 

VII. Рефлексия

·                   Ребята, вам понятен новый материал?

·                   Был ли сегодняшний урок интересным?

·                   Чем вам запомнился данный урок?

Скачано с www.znanio.ru