无机非金属材料的主角—硅2教学设计

无机非金属材料的主角—硅2教学设计（共4篇）

无机非金属材料的主角—硅2教学设计 篇1

院系:化学化工学院 时间:15min 科目:化学必修一 课题:无机非金属材料的主角---硅(一)主讲人: 汪敏 训练技能：

一、教学目标

1.知识与技能

⑴了解二氧化硅在自然界中的含量、存在、用途 ⑵了解二氧化硅的物理性质，掌握二氧化硅的化学性质 2.过程与方法

⑴自主学习，培养学生自学的能力。⑵对比归纳学习二氧化硅的性质 3.情感态度价值观

⑴认识二氧化硅用途，体会化学的实用性

⑵感受化学在生活生产中的重要地位，增强将化学知识应用到生活、生产和科学技术中的意识。

二、教学重难点

重 点：二氧化硅的性质和用途

难 点：二氧化硅的性质

三、教学过程

教学步骤、内容

[引言］(讲述)在上课之前，我给大家讲一个发生在我生活中的故事。一天，我送给我的双胞胎表妹一对精美的玻璃杯，然而我的双胞胎表妹不满意了，说是不喜欢和对方一样的东西，你们总送我们一样的东西，太没新意了。我想也是，人都希望自己是与众不同的，对待自己的东西也一样。那么，我该怎样让我的礼物与众不同呢。我想到了这样一个办法，（图片展示）用此法，我在一个玻璃杯上刻上大表妹喜欢的猫咪头像，另一个杯子上刻上小表妹喜欢的小熊图案，分别送给表妹们，她们都满意了。故事讲完了（设问）引入课题 ［板书］第一节无机非金属材料的主角——硅 ［自学辅导、教学点拨］请同学们阅读教材第74页、75页，待会我会请一位同学总结二氧化硅的含量和存在形态。［板书］

一、二氧化硅SiO2

1、存在形式：

［屏幕显示］总结、评价学生的回答。SiO2是硅最重要的化合物。地球上的天然二氧化硅约占地壳质量的12%，其存在形式有结晶型和无定型两大类，统称硅石。［板书］结晶型 无定型

即然天然二氧化硅在地壳中占了不小的比例，那么它究竟存在与哪些物质中呢？我们一起来看一下这几幅图片吧。自然界存在的石英、水晶、玛瑙广泛地应用在饰品制造中，和我们的生活有着密切联系。比如老师手上的这块表，它的表盘就是石英材质的。那么我们在看一下这幅图片，大家有没有什么印象。金镶玉”是北京奥运会的奖牌，喻示中国传统文化中的“金玉良缘”，体现了中国人对奥林匹克精神的礼赞和对运动员的褒奖。介绍了较之不菲的玉，看一下这幅图片，沙子，在我们的生活中更是随处可见了，相对来说较前几者都廉价多了，但是不论是石英、玛瑙，水晶还是廉价的沙子，他们的组成都含有二氧化硅。［过渡］讲完了二氧化硅的存在，我们一起来学习一起它的性质 ［板书］

2、二氧化硅的性质

（讲述）请同学们根据刚才老师列举的二氧化硅的存在的例子推测一下它具有怎么的物理性质 ［板书］（1）物理性质

（引导学生总结，并板书）熔点高、硬度大，不溶于水的固体。

［过渡］那么为什么二氧化硅具有熔点高硬度大，这样良好的物理性质，结构决定性质，为了探究其根本原因，我们来分析一下的结构 ［屏幕显示］展示二氧化硅空间结构。

［分析引导］观察二氧化硅的空间结构示意图，与金刚石的结构很相似，猜测二氧化硅很坚硬，在通常情况下化学性质很稳定，实验室里石英坩埚用来作高温反应仪器，也正是证明了这一点猜测。那它的化学性质究竟是怎样的呢？ ［板书］（2）化学性质

[ 讲述 ] 既然二氧化碳和二氧化硅的结构相似，就意味着两者的化学性质也相近。那我们通过对比两者的化学性质，来进一步学习二氧化硅的化学性质吧。［屏幕显示］CO2和SiO2化学性质的比较

(1)CO2 SiO2与水反应：CO2＋H2O==H2CO3；SiO2与水不反应。

(2)与碱反应CO2＋2NaOH==Na2CO3＋H2O SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(3)与碱性氧化物反应CO2＋CaO==CaCO3 SiO2＋CaO==CaSiO3 ［设疑］装氢氧化钠的试剂瓶瓶塞不能用磨砂玻璃塞，而用橡胶塞？

［分析］装氢氧化钠的试剂瓶瓶塞不能用磨砂玻璃塞，因为玻璃的主要成分二氧化硅易与碱液反应生成对应的硅酸盐，SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O俗称泡花碱，是一种水溶性硅酸盐，其水溶液为水玻璃有较强的粘结力强将瓶盖黏合。［设疑］为什么实验室不用玻璃试剂瓶盛装HF酸？

［分析］实验室不用玻璃试剂瓶盛装HF酸，因为玻璃的主要成分是二氧化硅，氢氟酸与二氧化硅反应：SiO2＋4HF==SiF4↑＋2H2O； ［屏幕显示］展示二氧化硅的用途的图片。［小结］总结回顾二氧化硅的物理,化学性质。［随堂训练］

1.①盐酸、②浓硫酸、③氧气、④氢氟酸、⑤氢氧化钾溶液中，能与地壳中含量第一和第二的两元素形成的化合物起化学反应的是（）A．①② B．④⑤ C．②④ D．③④ 2.熔融烧碱应选用的器皿是（）A．铁制坩埚 B．普通玻璃坩埚 C ．石英坩埚 D ．陶瓷坩埚

总板书设计

第一节 无机非金属材料的主角——硅 一、二氧化硅

（1）存在形式：结晶形、无定形

（2）性质

物理性质：熔点高、硬度大，不溶于水的固体。

无机非金属材料的主角—硅2教学设计 篇2

例1在一定条件下,不能与SiO2反应的是()

①焦炭②SO2③CaO④氢氟酸⑤高氯酸⑥KOH⑦Na2CO3⑧N2

(A)③⑤⑦(B)⑤⑦⑧

(C)②⑤⑧(D)只有⑧

解析:SiO2是酸性氧化物,能与强碱、碱性氧化物反应,但不与H2O反应.不与酸(如HNO3、H2SO4、HCIO4等)和酸性氧化物反应,但与氢氟酸反应:SiO2+4HF=SiF4↑+2H2↑.SiO2具有氧化性,高温条件下能被C还原:SiO2+2C,此外,在高温条件下还能与一些碳酸盐反应,如SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑.故符合题意的为(C).

答案:(C)

考点2:硅及其化合物的相互转化

例2 A、B、C、D代表单质或化合物,它们之间的相互转化关系如图1所示,A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质,其晶体结构与金刚石相似.

请填空:

(1)形成单质A的原子结构示意图为______它的最高化合价为______.

(2)B的化学式(分子式)为______,B与碳反应生成A和E的化学方程式为

(3)C的化学式(分子式)为______,D的化学式(分子式)为______.

解析:根据“A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质”可确定A是Si单质,它可由SiO2和C在高温条件下反应制取,SiO2是酸性氧化物,可与CaO、NaOH等物质反应.

答案:

(2)SiO2 SiO2+2C

(3) CaSiO3 Na2SiO3

考点3:硅酸盐产品

例3下列表述正确的是()

①硅酸钠的水溶液俗称水玻璃,可用作木材防腐剂

②陶瓷、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品

③建设三峡大坝使用了大量的水泥,水泥是硅酸盐材料

④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料

(A)①②③(B)②③④

(C)①②④(D)①③④

解析:上述说法中只有②不正确(水晶主要成分是SiO2,不属于硅酸盐制品).

答案:(D)

考点4:硅、二氧化硅的应用与信息材料

例4 (1)化学对现代物质文明有着重要作用,请填写:

①光导纤维的主要成分是______。

②目前应用最多的太阳能电池的光电转化材料是______.

③计算机芯片的主要成分是______.

④用作吸附剂、干燥剂、催化剂或催化剂载体的人造分子筛大多是一类称为______的化合物.

(2)氮化硅是一种高温陶瓷材料,它的硬度大、熔点高、化学性质稳定,工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮气在1300℃反应制得.

①根据性质,推测氮化硅陶瓷的用途是______填序号.

(A)制汽轮机叶片

(B)制有色玻璃

(C)制永久性模具

(D)制造柴油机的轴承

②氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强,除氢氟酸外,他不与其它无机酸反应.试推测氮化硅陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式_.

③现用四氯化硅和氮气在氢气气氛下,加强热发生反应,可制得较高纯度的氮化硅,反应的方程式为______.

解析:(1)本题主要考查的是硅及其化合物在高科技产品中的具体应用.

(2)根据氮化硅硬度大、熔点高、化学性质稳定的性质,其用途可选:(A)(C)(D).由于氮的非金属性比硅的强,可判断二者化合时,N显负价(-3),Si显正价(+4),氮化硅的化学式为Si3N4,氮化硅陶瓷被氢氟酸腐蚀,是由于Si与F有极强的亲和性,Si3N4与HF生成了SiF4,则另一种产物为NH3.从化合价升降角度分析,SiCl4、H2、N2反应产物之一是Si3N4,则另一产物为HCl,此反应可理解为H2还原SiCl4制取硅,然后Si与N2在高温条件下反应生成Si3N4.

答案:(1)①SiO2②Si③Si④铝硅酸盐

(2)①(A)(C)(D)

(2)Si3N4+12HF=3SiF4+4NH3

③

考点5:相关实验

例5单晶硅是信息产业中重要的基础材料.通常用炭在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质),粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度450～500℃),四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅.以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图2.

相关信息如下:①四氯化硅遇水极易水解;

②硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物;

③有关物质的物理常数见表1.

请回答下列问题:

(1)写出装置A中发生反应的离子方程式______.

(2)装置A中g管的作用是______;装置C中的试剂是_______;

装置E中的h瓶需要冷却的理由是.

(3)装置E中h瓶收集到的粗产物可通过精馏(类似多次蒸馏)得到高纯度四氯化硅,精馏后的残留物中,除铁元素外可能还含有的杂质元素是______(填写元素符号).

解析:制备四氯化硅的原料为CI2和Si.A装置为Cl2的制备装置,B、C装置为除杂装置.先用B除去HCl,再用C(浓H2SO4)除去H2O蒸气.CI2通入粗硅中反应,用冷水将产生SiCI4冷凝即可.(1)制取氯气用浓盐酸和MnO2在加热条件下反应.(2)g管是将分液漏斗与烧瓶相连,则它们中的压强是相等的,这样便于盐酸能顺利滴下.SiCl4的沸点很低,只有57.7℃,而反应的温度达几百度,故需要冷凝收集.(3)从物质的物理性质表可发现,AICI3、FeCl3和PCI5均易升华,故还应有Al、P、CI元素.

答案:

(2)平衡压强,使液体顺利流出并防止漏气;浓硫酸;产物SiCI4沸点低,需要冷凝收集

无机非金属材料的主角—硅2教学设计 篇3

关键词：无机非金属材料 测试技术 教学改革与实践 教学效果

中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2012）11（b）-0207-01“无机非金属材料测试技术”在当代材料科学研究中占有重要地位，是材料类本科生及硕士研究生的必修课和学位课，在教学中占有极其重要的地位。此外，在科研生产实践过程中，X射线衍射分析、电子显微结构分析、X射线荧光光谱分析以及热分析等测试技术的应用越来越多。本课程的教学目的，通过对各种大型精密仪器的理论原理、结构功能和应用领域的介绍，使学生理解和掌握利用这些大型精密仪器分析材料的组成、结构，以解决材料组成、结构与性能的关系。结合学校办学特色，着重讲解测试技术分析方法的原理及其在无机非金属材料研究中的应用实例，注重培养学生应用所学测试技术分析工程实际问题的能力。

本文从无机非金属材料测试技术的课程特色出发，将教学与学术研究紧密结合，探讨了本教学团队在多年的教学中过程中总结的经验、规律以及开展的教学改革措施。

1　无机非金属材料测试技术的课程特色

景德镇陶瓷学院“无机非金属材料测试技术”是江西省本科和硕士研究生优质课程，这是一门多学科交叉性、发展性和前沿性的课程，以高度自动化控制和分析数据处理的高度计算机化为主要趋势，因而各种数据分析软件层出不穷，及时更新和补充教学内容是本课程一大特色。其次，该课程教学基础理论抽象难懂，并且课程讲述的测试仪器大多为高端精密的大型设备，不具备“解剖”仪器设备的客观条件；最后，该门课程虽然是一门理论课，同时，又具有很强的实践性，尤其本校的人才培养目标为“培养为我国陶瓷工业和地方经济建设与社会发展服务的基础扎实、知识面宽、有较强实践能力和创新精神、素质高、作风朴实、面向基层的应用型高级专门人才”，如何结合学校办学特色，针对课程特点，更好地开展教学研究和教学改革活动一直是个值得深思的问题。

2　无机非金属材料测试技术的教学改革措施

2.1　打造教学团队，提高课程教学的生命力

课程教学的生命力，不仅来自于课堂内容的更新和补充，还源自于一个年龄、学历、职称以及学缘结构合理的有机的教学团队。通过课程教学团队的建设，弥补了教研室作为教学管理单位在教学改革管理过程中的滞后。团队内形成“以老带新”的良好模式，实行老教师对中青年教师的“传、帮、带”，坚持老带新的教授听课制度，加强老对新的教学过程全程的指导，进一步提升团队的整体教学水平，并定期开展青年教师教学公开课、讲课比赛、教学名师示范教学、教学文件的展评，课件评析等活动帮助青年教师更快地提高教学水平。

2.2　系统地构建了本课程的知识体系，转变了教学手段、方式和方法

科学构建了适合于一般工科院校无机非金属材料工程专业测试技术课程的知识体系，从以“介绍测试设备基本原理与操作为主”的传统教学方式转变为以“解决陶瓷材料工程实际问题和性能改善为核心”的分析应用能力培养方式，在长期的建设中形成了自己鲜明的特色和优势。理论教学为以无机材料（陶瓷）三大基本测试技术（X射线衍射分析、电子显微分析、热分析）为主、其他分析技术为辅的四大知识模块，知识点清晰、学习目标明确。采用多媒体结合传统板书的教学手段，制作的多媒体课件集影像、文字、动画、声效于一体，将抽象的知识直观化、形象化，增大了信息量，有效扩展了课时容量，调动学生主动学习的积极性，提高了教學效率。在重点和难点知识内容上，采用问题式教学方法，以问题为中心、以学生为主体、以教师为导向、以培养学生解决问题和自主学习的能力为教学目标。在某个知识点的讲授上，先设计问题，将学生置于问题情景中，调动学生的主动思维，学生通过自主探究和合作来解决问题，从而掌握在问题背后的知识，更深层次地理解课程的重点和难点。在测试方法的应用方面，则以本课题组和国内外最新研究成果为案例，采用案例式教学方法，引导学生掌握测试结果的分析和应用，扩大学生的视野，为后续专业课学习打下坚实的基础。

2.3　创新了实践教学内容和组织形式，构建立体化的实验教学体系

测试技术是一门理论性强，同时实践性又很强的课程。在材料专业本科、硕士生的毕业论文过程中，多种测试分析方法被用来解释和分析实验过程出现的问题以及获得的结论，对学生的实践和应用能力有很高要求。在本课程中，以提高学生实践和综合分析能力为目标，构建了以综合设计性实验为核心、基础性实验为基础、开放式实验为提高、虚拟实验为拓展的全过程、全方位立体化的实验教学体系。科学地处理了实验课程内容的技术性、综合性和探索性的关系，在实验教学安排上，制定了“必修课程实验＋综合设计性实验周”的培养模式。基础性实验使学生对几大测试方法有一个理性和感性的认识，了解了仪器结构和工作原理。综合设计性实验和开放性实验则在培养学生动手能力的基础上，让其对测试分析技术的应用得到提升，在课程导师的指导下自行实验并对实验样品的测试结果进行分析和解释，撰写小论文。而通过网络平台建设的虚拟实验室，弥补了多数测试设备过于精密学生难以动手亲自操作的不足，便于在基础实验和综合设计性实验之后多次复习和回顾所学内容。

2.4　编著出版了体现专业特色的教材，补充和完善教学内容

在2001年以及2007年修订再版的《无机材料测试技术》（武汉理工大学出版社）基础上，2011年6月重新修订编著出版了《无机材料测试技术》教材（江西高校出版社），教材内容编排立足于本科教学的特点与要求，有效地处理经典与现代的关系，将无机材料（陶瓷）最常用也是经典的X射线衍射分析、电子显微分析和热分析三种测试技术作为本教材的重点内容，同时授课内容还介绍了扫描隧道显微镜、原子力显微镜、红外、拉曼光谱分析、光电子能谱分析、核磁共振分析等先进的新的测试技术与方法。教材的深度适合本科以及硕士研究生教学，理论联系实际。理论教学内容本着“够用”的原则，主要介绍了各种测试方法的基本原理、仪器的结构原理，试样制备和测试原理。各种测试方法的实际应用部分将无机材料（陶瓷）研究方面的科研成果引入到教材中，用大量的实际应用例子对各种测试方法的具体应用进行了阐述，深入浅出，与科学研究和生产实际联系紧密，该教材获得2011年国家教育部普通高等教育精品教材奖。

3　结语

无机非金属材料的主角—硅2教学设计 篇4

关键词：缺陷化学；无机非金属材料；研究实例

任何一种材料都具有一定的缺陷，无机非金属材料也不例外，无机非金属材料在制备的过程中，常常会受到许多外界因素的影响，如温度、杂质等，这就会使成品材料的内部存在缺陷。利用缺陷化学理论对这些缺陷形成的原因和规律进行分析，对于非金属材料的制备具有巨大贡献。

1 缺陷化学理论指导无机非金属材料研究的意义

由于任何一种材料都具有一些缺陷，或存在杂质，或具有孔洞，这对其性质方面有很大的影响，有时甚至会通过缺陷产生一种新的材料，所以对缺陷进行研究就显得十分有必要。缺陷化学主要是研究固体物质包括材料之中的微观或者主要是点缺陷的产生原因，以及平衡缺陷，还要研究这些缺陷的存在对于材料本来的性质有那些影响，对缺陷的种类与浓度采取有效的措施进行控制。

无机非金属材料在生产和制备中，经常有因素对其进行影响从而在这些材料中产生点缺陷，对其的性能产生改变，这些材料会因为这些缺陷而具有一些全新的功能。利用缺陷化学原理对固体材料进行指导研究，可以利用缺陷反应的化学方程式去平衡缺陷之间的反应，因为当将点缺陷看成是化学组元，写出关于它们的特殊的方程式之后，可以发现其中存在着平衡常数[1]。通过对这些材料中的缺陷产生的规律进行研究，就可以有效的控制材料中缺陷的种类和缺陷的浓度，为无机非金属材料的研究和应用提供理论指导。

2 利用缺陷化学原理指导功能性材料制备的方法

2.1某种缺陷的类型识别，在ZrO2中参杂CaO从而形成固溶体

在ZrO2之中只需添加少量的CaO就可以形成固溶体，根据电中性对其的不同要求，可以形成不同类型的固溶体。既能够满足电中性需要形成具有氧离子空位型的固溶体，也能够形成满足其另外需求的钙离子填隙型的固溶体，这样就可以根据这个写出来两个关于固溶缺陷方面的方程式[2]。之后可以利用这两个缺陷方程式来计算出他们的密度值，然后将通过计算的出来的密度值和实际测量的到的密度值两者之间进行比较，就可以得出在特定的条件下，哪个缺陷方程式的反应能够发生，正确的方程式是什么，从而确定固溶体的类型。

2.2受气氛影响的CoO研究

因为CoO之中存在钴离子因，它是变价的阳离子，特别容易受到外界因素的影响。通常情况下，由于外界气氛的触动，就会相应的引发其内部的化合价发生不同程度的改变，这样在同一种化合物之中，阳离子就同时存在了两种化合价，这就在其内部产生了点缺陷，也就是非化学计量的化合物。

如果外界当中的氧分的压力比较高，CoO就会发生反应，可能会使一些Co2+发生转变，从而变成Co3+，这样就会发生相应的缺陷化学反应，要想使这个缺陷反应达到平衡，就得到了一个平衡常数。这个平衡常数由反应自由的进行控制，从而可以得到一系列的公式，能够得出作图直线斜率的数值。测定外界中存在的氧分压和在CoO之中，钴离子的空位扩散的系数两者之间的关系，实际测定得出的结果，其直线斜率的数值与之前作图得出的数值相同[3]。这种情况恰恰说明了，利用缺陷化学原理对其进行理论上的分析，可以得到与实验结果相同的结论。

2.3缺陷化学原理研究外界气氛影响TiO2的性能

TiO2这种材料很容易受到外界气氛的影响，有专家学者对其进行了实验，通过实验得到了这样的结果，如果在外界气氛是强氧化的情况下，对TiO2材料进行烧结，所获得的介质材料是具有金黄色的，但是如果在外界气氛是还原的情况下对材料进行烧结，得到的介质材料呈现的却是灰黑色的，这是一种具有半导体的性质的特殊材料，它其实是n型的半导体材料。如何解释在不同的外界气氛情况下，对材料烧结会得到完全不同性质的材料，缺陷化学可以在其中发挥相应的作用。

钛离子其实本身具有两种不同的价态，一种是四价钛，另外一种是三价的钛。如果TiO2处于缺少氧气的状态之下，就会可能出现这种情况，一些四价的钛会转化成三价的钛，这个缺陷反应可以简化成这样表示：Oo=Vo+?O2↑+2e。根据质量守恒定律对其进行平衡时，保持晶体材料中的氧离子的浓度不发生改变。在这个过程中发现氧空位的浓度和氧分压的濎次方是呈现反比例增长的。如果外界存在的氧压力逐渐变大，那样氧空位的浓度就会相应的变小，所以在强氧化的气氛下对TiO2进行烧结，就得到了金黄色的介质材料。而外界是还原的气氛，氧压力不足，就会得到灰黑色的半导体材料。

总结：

通过缺陷化学理论对无机非金属材料进行研究，对于固溶体的研究和对非化学计量的化合物在研究方法上存在不同，但是都能够通过理论分析得出印象缺陷产生和缺陷浓度的控制因素。在实际的研究过程中，利用缺陷化学理论进行研究的方法多种多样，本文只是通过几个例子对其进行简要的分析。利用缺陷化学进行研究的前景还很大，相关的研究学者和专家应该加大研究的力度，为无机非金属材料的制备做出贡献。

参考文献：

[1]林枫，刘剑虹，王超会.无机非金属材料专业实验教学体系的整体优化[J].高师理科学刊，2007（1）：96-98.

[2]宋晓岚，杨华明，王海东，胡岳华，邱冠周.无机非金属材料专业创新人才培养的教学体系优化与实践[J].理工高教研究，2007（2）：91-93.

[3]中国中材集团有限公司副总经理于国波.加快新型无机非金属材料产业发展

构筑建材行业崭新的未来[N].中国建材报，2013（12）：1-10.