Конспект урока "Соединения кремния"


Урок: Соединения кремния.
Задачи:
- изучить свойства соединений кремния: оксида кремния (II), кремниевой кислоты,
силикатов;
- совершенствовать умение сравнивать вещества, выявлять черты, сходства и
различия в их составе и свойствах;
- продолжить формирование знаний о взаимосвязи свойств вещества с его
строением и с предметами физики, биологии ;
- развивать у учащихся основные мыслительные операции: анализа, синтеза,
сравнения, обобщения;
- воспитывать у учащихся умения высказывать свою точку зрения и
аргументировать её.
Тип урока: урок с элементами исследования, с использованием элементов
КСО.
Мотивация и целеполагания:
«Кремний и его соединения основа неорганической природы»
(А.Е. Ферсман) В природе кремний находится преимущественно в виде кремнезема
(песка) Si02 и силикатов. Чистые кристаллы оксида кремния (IV) образуют
несколько полиморфных модификаций, одна из которых кварц, встречающийся в
виде горного хрусталя. Красиво окрашенные кристаллы кварца (аметист,
дымчатый топаз, сердолик, агат, опал, яшма, гранит и т.д.) являются
полудрагоценными камнями (презентация « Кремний в природе»).
Материальное обеспечение урока: компьютер, презентации, коллекция
«Минералы», тест, лист самопроверки, штатив для пробирок, пробирки, растворы
Na2SiO3, K2CO3, K2SiO3, HCl, H2O, лакмусовая бумага , таблица растворимости).
I. Проверка домашнего задания и актуализация знаний.
Проекты по темам: 1.Кремний полупроводник 2.Биологическая роль
кремния.3.Кремний в природе.4.Применение кремния в ТР.
По необходимости - консультация учителя.
II. Опрос и дальнейшая актуализация знаний.
В виде блиц опроса по вопросам. Перечислите элементы !V-А группы .
Электронная формула С и Si ?Сколько энергетических уровней у С? Сколько
энергетических уровней у Si? Какие свойства сильнее выражены? Какие
свойства слабее выражены? Что общего в химических свойствах Si иС ?
III. Учитель: Углерод- важнейший элемент растительного и животного
царства, так кремний - главный элемент в царстве минералов и горных
пород.
Кремний - восстановитель. Аморфный кремний легко соединяется с кислородом,
галогенами и серой.
Si +О2 =SiО2
Si + 2Сl2= SiСl4
Si +С= SiС
Si + 4HF= SiF
4
+ 2H2
Si + 2NаОН + Н
2
О = Na2SiO3 + 2H2
Кремний - окислитель. Si +2Са= Са
2
Si
Сравните химические свойства углерода и кремния .Вывод: Свойства С и Si
похожи, оба неметалла взаимодействуют с кислородом, галогенами, металлами.
В отличие от углерода кремний напрямую не соединяется с водородом. Силан
получают косвенно. Кремний взаимодействует с фтороводородом , другие
кислоты не действуют на кремний , но щелочи энергично реагируют с ним ,
выделяя водород и образуя соли.
Мg
2
Si + 4Н
2
о= 2 Мg(ОН)
2
+ SiН
4
Учитель: Кремнезем существует в виде различных форм: кристаллической,
аморфной и стеклообразной. Наиболее распространенной кристаллической формой
является кварц. При разрушении кварцевых горных пород образуются кварцевые
пески. Монокристаллы кварца прозрачны, бесцветны (горный хрусталь) или
окрашены примесями в разные цвета (аметист, агат, яшма и др.). Аморфный SiO2
встречается в виде минерала опала; искусственно получают силикагель, состоящий
из коллоидных частиц SiO2 и являющийся очень хорошим адсорбентом.
Стеклообразный SiO2 известен как кварцевое стекло. SiO2 как и CO2,
солеобразующий кислотный оксид. В отличие от CO2 SiO2 твердое тугоплавкое
вещество, не растворимое в воде. Он обладает атомной кристаллической решеткой.
Около каждого атома кремния располагаются четыре атома кислорода. При этом
образуется своеобразный неорганический полимер. Его формула (SiO2)n
| | |
― Si ― O ― Si ― O ― Si ―
| | |
O O O
| | |
― Si ― O ― Si ― O ― Si ―
| | |
O O O
| | |
Как объяснить большую разницу в свойствах оксида углерода IV (СO2) оксида
кремния SiO2 (cм. «Материалы к уроку»).
В кристаллическом виде реакционная способность SiO2 низкая. В аморфной форме
он более активен. SiO2 и CO2 являются кислотными оксидами и реагируют с
основными оксидами, водными растворами щелочей.
1. С основными оксидами при нагревании:
SiO2 + К2O → K2SiO3
SiO2 + CaO → CaSiO3
2. С водными растворами щелочей:
SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
3. В отличие от CO2 SiO2 не растворяется в воде:
SiO2 + H2O ∕→
4. SiO2 является нелетучим оксидом, вытесняет CO2 из Na2СO3
(при сплавлении):
SiO
2
+ Na2СO3 → CO2↑ + Na2SiO3
5. С газообразными HF и F2:
SiO2 + 4HF(г) → SiF4 + 2H2O
SiO2 + 2F2 → SiF4 + O2 (тетрафторсилан)
6. Восстановление Si из SiO2 магнием: SiO2 + Мg= gО + Si
В SiO
2
содержится кремний в высшей степени окисления, следовательно SiO2
может выступать в роли окислителя. Окислительные свойства для SiO2 не
характерн.
Учитель: Какие свойства кремния выявили наши исследователи?
1.Полупроводниковые свойства кремния. Кристаллическая решетка атомная,
агрегатное состояние твёрдый. (Презентации cм. «Материалы к уроку»).
2.Биологическая роль кремния. 3.Применение кремния в Татарстане..
Соединения кремния в виде кварцевого песка используют в стекольной
промышленности, в качестве строительного материала для изготовления динаса
огнеупорного материала.
Самое важное - кварцевое стекло, обладающее самым низким температурным
коэффициентом расширения, применяется для изготовления химической посуды и
осветительных приборов.
И углерод и кремний образуют высшие гидроксиды кислоты: соответственно
угольную и кремниевую. В свободном виде не получены. H2CO3 существует только
в разбавленных растворах, а кремниевая кислота существует только в полимерной
форме. Формулы для кремниевой H2SiO3 (метакремниевая кислота) и H4SiO4
(ортокремниевая кислота) отражают только соотношение атомов элементов в
соединении ,а не истинный состав вещества.(работа с учебником)
Кремниевая кислота в отличии от угольной полимер, имеющий следующую
структуру
| | |
… ― O ― Si ― O ― Si ― O ― Si ― О ― …
| | |
Структурные звенья соединяются в цепи, образуя поликремниевые кислоты
(H4SiO4)n. Поликремниевые кислоты в воде нерастворимы.
В таблице растворимостей солей и гидроксидов видим, что кремниевая кислота
нерастворима в воде. Её нельзя получить растворением оксида в воде, как угольную.
Способ получения:
Опыт 1: Осаждение сильными кислотами из растворов силикатов щелочных
металлов
Na2SiO3 + 2HCl H2SiO3↓ + 2NaCl
SiO32- + H2O → H2SiO3
Свежеприготовленная кремниевая кислота выделяется в виде геля студенистого
осадка. Кремниевая кислота слабая кислота, она слабее угольной кислоты.
При пропускании углекислого газа через растворы силикатов происходит
вытеснение из них кремниевой кислоты (качественная реакция на силикат - ионы)
K2SiO3 + CO2 + H2O H2SiO3↓ + K2CO3
SiO2- + CO2 + H2O → H2SiO3↓ + CO32-
При нагревании кремниевую кислоту можно постепенно обезводить:
H2SiO3 → SiO2 + H2O
В результате оксид кремния (IV) выделяется в виде пористого материала
силикагеля, который применяется для поглощения водяных паров и газов, очистки
нефти, керосина, как катализатор.
Кремниевая кислота (как и угольная) реагирует с растворами щелочей с
образованием солей силикатов.
Опыт 2: растворение H2SiO3 под действием раствора NaOH
H2SiO3 + 2NaOH = Na2SiO3 + 2H2O
H2SiO3 ↓ + 2OH- = SiO32- + 2H2O
Условная формула силикатов Men(SiO3)m, не отражает истинный сложный состав
силикат ионов. Как большинство солей, карбонаты и силикаты ионные
соединения, при обычных условиях твёрдые вещества, бесцветные, если катион
металла не дает характерную окраску. В воде растворимы только карбонаты и
силикаты щелочных металлов.
Концентрированные растворы Na2SiO3, K2SiO3 называют низким или растворимым
стеклом. Они используются для пропитки древесины, чтобы придать ей
огнеупорность. Водный раствор Na2SiO3 применяется в качестве силикатного клея.
Нерастворимые силикаты тугоплавки. Природные силикаты имеют сложный состав
и строение.
K2O∙Al2O3∙6SiO2-полевой шпат.
K2O∙3Al2O3∙6SiO2∙2H2O-слюда.
3MgO∙2SiO2∙2H2O-асбест.
Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2H2O - коалинит.
Силикаты, содержащие в своём составе Al2O3, называют алюмосиликатами (см.
«Коллекцию минералов»).
Опыт 3 : В водных растворах силикаты подвергаются гидролизу
Na2SiO3+H2O↔NaHSiO3+NaOH(опыт)
SiO32- + H2O ↔ HSiO3- + OH- (щелочная среда)
1.Взаимодействие с кислотами (даже угольная кислота вытесняет кремниевую
кислоту из растворов её солей)
Na2SiO3+2HCl→2NaCl+H2SiO3↓
SiO32- + 2H+ → H2SiO3↓
2. Взаимодействие растворимых силикатов растворимыми
солями
NaSiO32+MgCl2→MgSiO3↓+2NaCl
SiO32 + 2Mg2+ → MgSiO3↓
Практическое значение имеют искусственные силикаты: стекло,
цемент, керамика, жидкое стекло (используют для изготовления
кислотоупорных бетонов, замазок, силикатного клея, им пропитывают ткани,
дерево, бумагу и для придания им огнестойкости и водонепроницаемости).
IV. Закрепление и контроль знаний.
Учитель: Какие свойства кремния выявили наши исследователи?
1.Полупроводниковые свойства кремния. Кристаллическая решетка атомная,
агрегатное состояние твёрдый. (Презентация) Почему у кристаллического
кремния появляются свободные электроны? (cм. «Материалы к уроку»).
2.Биологическая роль кремния. 3.Применение кремния в Татарстане..
ЗАДАЧА1. При смешивании 2оо г 10% - ного раствора сульфата меди и
340 г 16%- ного раствора той же соли получится раствор с массовой долей
соли ?
Решение.
1) масса соли в первом растворе равна
200*о,1= 20 г
2) масса соли во втором растворе равна
340 *0,16 = 54,4 г
3) Суммарно масса соли составит
20 +54,4 =74,4
4) Масса раствора равна
200 + 340 =540 г
5) Массовая доля соли в полученном растворе равна
74,4 / 540* 100% = 14% Ответ: 14%
ЗАДАЧА2 результате реакции 4.0 г смеси кремния и угля с
фтороводородом выделилось 4.48л водорода. Вычислите массовую долю кремния
в этой смеси.
Решение. По уравнению реакции: Si + 4HF= SiF
4
+ 2H2; С+ HF=\ Отсюда:
W= (М* V)/ (Vm* m) = (28* 4,48)/ (2*22,4 *4,0)=0,7=70%
ЗАДАЧА3. В результате реакции 5.0 г смеси кремния и угля с избытком
горячего концентрированного раствора гидроксида натрия выделилось 2.8л
водорода. Вычислите массовую долю кремния в этой смеси. По уравнению
реакции: Si + 2NаОН + Н
2
О = Na2SiO3 + 2H2 Отсюда: W= (28 *2,8)/ (2* 22,4*5)
=0,35=35%
Выполните тестовое задание (см. «Материалы к уроку»).
Альтернативный тест: SiO2 и CO2
1. Бесцветный газ, в 1,5 раза тяжелее воздуха.
2. Твердое кристаллическое вещество.
3. Вещество с молекулярной кристаллической решеткой.
4. Вещество с атомной кристаллической решеткой .
5. Растворяется в воде.
6. В воде практически не растворяется.
7. Является кислотным оксидом.
8. Не имеет запаха.
9. Легко сжижается и затвердевает.
10. Степень окисления элемента равна +4.
11. Имеет низкую температуру плавления.
12. Имеет высокую температуру плавления.
13. Реагирует с основными оксидами.
14. Реагирует со щелочами.
15. Не вступает в химическую реакцию с водой.
16. При повышенной температуре вытесняет из солей другие, более
летучие кислотные оксиды.
Номер
Задания
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
СО2
+
-
+
-
+
-
+
+
+
+
+
-
+
+
-
-
SiO2
-
+
-
+
-
+
+
+
-
+
-
+
+
+
+
+
Вывод: соединения кремния отличаются от аналогичных соединений углерода. Это
обусловлено особенностью строения кремния и его способностью образовывать
связи Si O Si. Свойства веществ зависят от их строения, в чём мы убедились
изучая соединения кремния.
V. Рефлексия и подведение итогов.
1. Что нового вы узнали о соединениях кремния?
2.Оценки за урок.
VI. Домашнее задание
А - §31 упражнение 3, 5 стр. 185
В- §31упражнение 4, 6, стр. 185
С - §31 упражнение 1, 2, стр. 185