Кремний и его соединения

Урок химии в 9 классе 2022-2023 учебный год

(14 февраля 2023 год)

Тема: «Кремний и его соединения»

Цель: Изучать, развивать и систематизировать знания о строении и свойствах элемента и простого вещества кремния, а так же его важнейших соединениях.

Задачи:

личностные: способствовать формированию мотивации учебной деятельности обучающихся через проведение лабораторного опыта, совершенствовать умение слушать, участвовать в коллективном обсуждении проблем, работать в парах и строить продуктивное взаимодействие;

метапредметные: развивать умение формулировать проблему, осуществлять поиск информации (из материалов учебника, по воспроизведению в памяти примеров из личного практического опыта);

выражать свои мысли с достаточной полнотой и точностью;

организовывать применение полученных знаний в процессе самостоятельной работы через использование теста;

развивать рефлексивные умения – самоконтроль, самооценку;

предметные: изучать, развивать и систематизировать знания о строении атома кремния, свойствах простого вещества и его важнейших соединений, продолжать совершенствовать умения составлять уравнения химических реакций и характеризовать их с позиции окислительно-восстановительных свойств;

развивать умение описывать признаки и условия течения химических реакций, закреплять практические умения выполнять лабораторные опыты, обращаться с веществами, химической посудой.

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.

Формы организации работы детей: групповая (просмотр презентации и коллекций), работа в парах (выполнение лабораторного опыта), индивидуальная (беседа, работа с заданиями в тетрадях, работа с текстом учебника), проблемное обучение (решение проблемных вопросов).

Техническое оборудование: компьютер, интерактивные панели, внешние носители информации с презентацией «Кремний и его соединения» (флеш-диск), коллекции «Горные породы и минералы», «Стекло и изделия из стекла», ПСХЭ Д.И.Менделеева, оборудование и реактивы, необходимые для эксперимента.

Лабораторное оборудование и реактивы: Штатив для пробирок, пробирки, раствор силиката натрия (Na₂SiO₃), раствор соляной кислоты (HCl).

Ход урока.

1. Организационный момент.

2. Проверка домашнего задания:

Задача №7, стр.179

Упр.4. стр.181

Упр.5, стр.181

(По каждому упражнению, дети делают вывод об изученном элементе)

1. Изучение нового материала.

Учитель: Какую тему мы изучаем? (слайд 1 –таблица по характеристике элементов четвертой группы главной подгруппы).

Предполагаемый ответ обучающихся: мы изучаем элементы четвертой группы главной подгруппы ПСХЭ Д.И.Менделеева.

Учитель: Какой элемент из этой группы мы изучили? Что вам понравилось в этом элементе?

Предполагаемый ответ обучающихся: Изучили химический элемент углерод и изучили его соединения. Интересным были аллотропные соединения (графит, алмаз (бриллианты), фуллеррен). (Слайд 2)

Учитель: А что сегодня на уроке будем изучать?

Предполагаемый ответ обучающихся: новый элемент четвертой группы.

Учитель: и тема нашего урока?

Предполагаемый ответ обучающихся: Кремний. (Слайд 3)

Учитель: А как мы будем изучать данный элемент и его соединения?

Предполагаемый ответ обучающихся: работать с учебником, проделывать опыт и тд.

Учитель: Сегодня на уроке мы с вами будем знакомиться с таким химическим элементом, роль которого для всего живого переоценить невозможно.

Сосед углерода привык к работе,
Замену ему нигде не найдете.
Если бы этот пропал элемент,
Где бы мы взяли кирпич и цемент,
Чем бы стеклили окно, и куда
Делись бы кварц, и фарфор, и слюда?
Пляжи песчаные, толщи подземные -
Где бы все это было без кремния?

Да, ребята, и калькуляторы на солнечных батарейках и песок в песочных часах и даже большие солнечные панели на космическом корабле – объединяет именно кремний.

А какую проблему мы сегодня будем решать?

Предполагаемый ответ: Почему элементы одной группы главной подгруппы ПСХЭ Д.И. Менделеева похожи друг на друга (оба неметаллы), но различаются по строению и свойствам.

Работа с текстом учебника: стр. (делим текст на две части: 1часть - об элементе кремний, а 2 часть - о его оксиде.) Составляем план для пересказа и интерпретации текста в таблицу. (Слайд 4).

1 часть - пересказ

Вывод по первой части текста: У кремния электроны расположены на трёх энергетических уровнях, а у углерода – на двух, следовательно, окислительные (неметаллические) свойства у кремния выражены слабее, а восстановительные (металлические) – сильнее.

Учитель:

Кремний как простое вещество

В природе кремний не встречается в свободном состоянии, поэтому его получают восстановлением оксида кремния (IV) магнием или углем.

Закончите уравнения реакций: лабораторный способ получения

SiO₂ +2Mg = 2MgO + Si

SiO₂ + 2C = 2CO + Si

промышленный способ (при температуре 1900⁰С)
При этом получается кремний с примесями. Для получения чистого кремния сначала получают карбид кремния, из него – летучее водородное соединение – силан. Силан разлагают без доступа кислорода на водород и чистый кремний. Этот кремний затем используют для изготовления солнечных батарей и в электронике.

Простое вещество кремний встречается:

А) в аморфном виде – белый порошок (без примесей) или коричневый (с примесями), обладает высокой реакционной способностью

Б) в кристаллическом виде – твёрдый, хрупкий, непрозрачный, серый, с металлическим блеском полупроводник (т.е. его электропроводность при нагревании повышается), имеет атомную кристаллическую решетку, подобную алмазу. Химически пассивен. (слайд сравнение с углеродом).

Химические свойства кремния:

а) кремний - восстановитель

Все реакции протекают при нагревании!

1. Si + O₂ = SiO₂ (оксид кремния (IV))

Si ⁰ – 4e^- → Si⁺⁴ восстановитель

O ₂ + 4e^-  →2O^-2 окислитель

1. Si + 2Cl₂ = SiCl₄ (хлорид кремния)

3.Si + 2S = SiS₂ (сульфид кремния)
2000⁰C
4. Si + C = Si⁺⁴C^-4 (карбид кремния или карборунд, по твёрдости близок к алмазу)

4. Si + 2H₂O(пар) = SiO₂ + H₂

5. Si + 2NaOH(конц.) + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂ 

Видеофрагмент взаимодействие кремния с щелочами.

б) кремний – окислитель

Si + 2Ca = Ca₂Si (силицид кальция)

С водородом не взаимодействует.

Силан (SiH₄ - бесцветный газ, ядовит) получают разложением силицидов металлов кислотой: Mg₂Si + 2H₂SO₄ → SiH₄ + 2MgSO₄

Вывод: свойства кремния и углерода похожи. Оба неметалла взаимодействуют с кислородом, галогенами, серой, металлами. Но в отличие от углерода кремний напрямую не соединяется с водородом.

2 часть – пересказ. (слайд сравнение с оксидом углерода (IV) СО₂).

Просмотр коллекций.

Соединения кремния.

Оксид кремния (IV), кремнезем – SiO_2.

К какой группе оксидов он относится? (Кислотный).

Какими свойствами обладают кислотные оксиды?

- взаимодействуют с водой

- с основными оксидами

-со щелочами.

Но с водой оксид кремния не взаимодействует! Давайте убедимся в этом, проведя опыт. (Техника безопасности!)

Лабораторный опыт. Насыпьте немного речного песка в пробирку, прилейте воды, взболтайте. Что наблюдаете?

Прилейте к полученной смеси раствор лакмуса. Произошли ли изменения? (Нет, значит, реакция среды в полученном растворе не изменилась).

Запомните, что оксид кремния не растворяется в воде. Это связано с тем, что оксид кремния имеет атомную кристаллическую решетку, сходную с алмазом.

Но с щелочами и основными оксидами может реагировать при нагревании.

Запишите уравнения реакций взаимодействия оксида кремния с оксидом натрия и гидроксидом натрия.

Сравнительный анализ оксидов углерода (IV) и оксида кремния (IV)

Вывод: физические свойства резко различаются, но химические свойства схожи. Отличие состоит в различном отношении к воде.

Особым свойством кремнезёма является его способность реагировать с плавиковой (фтороводородной) кислотой. Запишите уравнение реакции.

Если у кремния есть кислотный оксид, то есть и соответствующая оксиду кислота. Кремниевую кислоту получают при действии кислот на растворы ее солей. При этом она выпадает в виде студенистого осадка.

Лабораторный опыт. Давайте получим ее вытеснением из раствора соли более сильной кислотой. Для этого в пробирку налейте 1 мл раствора силиката натрия (концентрированный раствор силиката натрия – это канцелярский или силикатный клей), добавьте столько же серной кислоты. Получается полупрозрачный осадок кремниевой кислоты.

Запишем уравнение реакции в молекулярном, ионном и сокращенном ионном видах.

Na₂SiO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂SiO_{3 ↓}

SiO₃^- + 2H⁺ = H₂SiO₃↓

Добавим к полученному осадку раствор гидроксида натрия и перемешайте стеклянной палочкой. Что наблюдаете?

Запишите уравнение реакции в молекулярном, полном и сокращенном ионном видах.

H₂SiO₃ +2 NaOH = Na₂SiO₃ + 2H₂O

H₂SiO₃ + 2Na⁺ + 2OH^- = 2Na⁺ + SiO₃^2- + 2H₂O

H₂SiO₃+ 2OH^- = SiO₃^2- + 2H₂O

При высыхании массы кремниевой кислоты образуется высокопористое вещество – силикагель, широко применяемое в качестве адсорбента. (Вспомним, что такое адсорбция).

Рассказать о применении силикагеля.

При нагревании кремниевая кислота теряет воду и превращается в оксид кремния.

Соли кремниевых кислот - силикаты

Силикаты - это твердые тугоплавкие вещества, не имеющие окраски.

Силикаты построены из цепочек, колец, димеров SiO₄ (имеющих структуру тетраэдра), которые, в свою очередь, могут образовывать еще более длинные соединения в виде лент или сеток. Но, и это еще не все - такие ленты и сетки при помощи катионов металлов могут объединяться между собой, образуя самые разнообразные структуры, например, волокнистую (асбест) или слоистую (слюда).

Все силикаты, за исключением силикатов щелочных металлов, являются нерастворимыми в воде соединениями.

В природе чаще встречаются нерастворимые силикаты, входящие в состав таких горных пород, как, например, гранит или базальт. Одними из самых распространенных силикатов являются:

 полевой шпат (K₂O·3Al₂O₃+6SiO₂+2H₂O)

 слюда (K₂O·Al₂O₃·6SiO₂),

в состав которых входит оксид алюминия - это алюмосиликаты, входящие в состав каолинита (который всем известен под более привычным названием - глина - Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O).

Из не алюмосиликатов распространены такие природные силикаты, как асбест (3MgO·4SiO₂·H₂O) и тальк (3MgO·2SiO₂·2H₂O).

С течением времени под воздействием природных разрушающих факторов горные породы постепенно разрушаются (этот процесс называется выветриванием горных пород), например, полевой шпат, присутствующий в гнейсе и граните, медленно, но неуклонно, превращается в глину и песок:
K₂O·Al₂O₃·6SiO₂+CO₂+2H₂O = Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O+4SiO₂+K₂CO₃

Стекло

Полимерное соединение силиката натрия и силиката кальция называется стеклом - Na₂O·CaO·6SiO₂.

Стекло смело можно назвать настоящим искусственным "природным чудом". Судите сами, благодаря своему уникальному составу, стекло является твердым, прозрачным, химически стойким материалом, который может приобретать новые свойства, если при изготовлении стекла использовать различные добавки:

• химическую стойкость и механическую прочность стекла обеспечивает добавка оксида магния MgO;

• твердость, химическую и термическую устойчивость дает Al₂O₃;

• оптические свойства улучшают B₂O₃, TiO₂;

• замена натрия на калий, а кальция - на свинец дает хрусталь, который обладает высокими показателями преломления света - хрустальные изделия "играют" светом, что очень красиво смотрится.

Особым видом стекла является кварцевое стекло, в состав которого входит чистый кремнезём - такое стекло обладает ценными оптическими свойствами, а также химически и термически устойчиво.

Единственным "слабым местом" стекла является его высокая хрупкость, однако, и здесь умные головы нашли выход - изменив режим затвердевания стекла, было получено стекло с мелкокристаллической однородной структурой, благодаря которой, стекло приобрело прочность чугуна - такие стекла называются ситаллами.

Заключительная часть.

Первичное обобщение приобретённых знаний и рефлексия:

Итак, сегодня на уроке мы познакомились с кремнием, узнали о строении его атома, свойствах и получении. Рассмотрели соединения кремния - оксид, кислота, бинарные соединения.

• Назовите высшую и низшую степени окисления кремния.

• Какова формула и характер оксида?

• Какова формула гидроксида кремния (кремниевой кислоты), её особенность?

Оценивание работы на уроке учащихся, выставление отметок в дневник и журнал.

IV. Домашнее задание: параграф 37, ответить на вопросы 3,5,7.