5.3 无机非金属材料（教学设计）化学人教版必修第二册

第三节 无机非金属材料 课时1 无机非金属材料 一、知识目标 1.了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途，明确传统硅酸盐材料的重要作用。 2.掌握晶体硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途，体会新型无机非金属材料在高科技领域的重要价值。 3.理解典型无机非金属材料的主要成分、性质和用途之间的关系。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观上认识无机非金属材料的种类、用途；从微观上理解硅酸盐的结构特点及其对材料性质的影响。 2.证据推理与模型认知：通过对硅及其化合物性质和用途的学习，建立结构决定性质、性质决定用途的化学思维模型。 3.科学探究与创新意识：通过分组讨论和实验探究，培养学生的探究能力和创新思维，了解无机非金属材料的制备方法和应用前景。 一、教学重点 1.典型无机非金属材料的主要成分、性质和用途。 二、教学难点 1.典型无机非金属材料的主要成分、性质和用途。 无机非金属材料在生产生活和高科技领域都有广泛应用，这部分内容对于学生认识化学与社会发展的关系、提高化学核心素养具有重要意义。它是对前面非金属元素知识的拓展和应用，也是后续学习其他材料知识的基础。本节内容分为“硅酸盐材料”和“新型无机非金属材料”两部分。教材先介绍材料的分类，引出无机非金属材料，进而详细阐述传统硅酸盐材料如陶瓷、玻璃、水泥的生产原料、性能和用途，让学生了解传统材料的重要作用。接着介绍新型无机非金属材料，包括硅和二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料等，展示了新材料的奇特性能和在高科技领域的应用，体现了化学科学的发展对社会进步的推动作用。本课时聚焦无机非金属材料的主要成分、性质和用途，是理解材料科学的关键内容。 在初中化学学习中，学生对一些常见的无机非金属材料如玻璃、陶瓷有一定的感性认识，但对其成分、性质和制备原理了解较少。他们已经掌握了一些基本的化学概念和化学反应，具备了一定的实验操作和观察能力，但在综合运用知识解决实际问题和从微观角度理解物质性质方面还有所欠缺。在思维方面，学生正从形象思维向抽象思维过渡，需要更多的实例和实验来帮助他们理解抽象的化学知识。对于材料的分类和性质，学生可能会觉得枯燥，缺乏学习的主动性。因此，在教学过程中，教师应结合生活实际，通过实验探究、问题驱动等教学方法，激发学生的学习兴趣，引导学生积极思考和参与讨论。同时，要注重知识的系统性和逻辑性，帮助学生建立起完整的知识体系，提高学生的化学思维能力和综合素养。 教学环节一 新课导入 【播放建筑视频】同学们，老师先给大家展示一些非常壮观的建筑，像宏伟的高楼大厦、充满科技感的现代化场馆。大家在欣赏这些建筑美的同时，思考一下，这些地标性建筑用到了哪些材料呢？ 【引导学生列举身边材料】现在，请大家结合自己的生活经验，列举一下你所知道的身边的材料。比如，我们教室里的桌椅、窗户，家里的餐具、电器等等，它们都是由什么材料制成的呢？（鼓励学生积极发言，可能会提到木材、金属、塑料、玻璃等材料）。 【引入材料分类话题】大家说得都很丰富。材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料多种多样。除了我们刚刚提到的，还有很多不同类型的材料。那么，这些材料可以如何进行分类呢？这就是我们今天要探讨的内容之一。接下来，就让我们一起走进无机非金属材料的世界，去了解它们的奥秘。 【设计意图】 1.激发学生兴趣：通过展示壮观的建筑，能迅速吸引学生的注意力，让学生直观地感受到材料在生活中的重要应用，激发他们对材料的好奇心和探索欲望，提高课堂参与度。 2.联系生活实际：引导学生列举身边的材料，使学生将化学知识与日常生活紧密联系起来，让抽象的化学知识变得具体而有趣，增强学生对化学学科的亲切感。 3.引发思考，导入新课：从列举材料过渡到材料分类的话题，自然地引出本节课关于无机非金属材料的学习内容，让学生明确学习方向，带着问题去探索新知识，提高学习的主动性和积极性。 教学环节二 硅酸盐材料 【引入】同学们，大家看建筑的美，材料是人类赖以生存和发展的物质基础。像这些地标性建筑都用到了各种各样的材料，那大家能列举出身边有哪些材料吗？了解材料是如何分类的吗？ 【问题】材料有哪些常见的分类呢？ 【学生思考】积极思考并回答，可能会提到金属材料、玻璃、塑料等。教师引导学生总结出 【讲解】评价学生回答，强调材料分类的重要性。金属材料包含纯金属和合金；无机非金属材料又可分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料。 【设计意图】通过生活中常见的建筑引入，激发学生的学习兴趣，让学生从生活实际出发去思考材料的分类，为后续学习无机非金属材料做铺垫。 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 1.材料分类 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。 ①金属材料：包含纯金属和合金。 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 ③有机高分子材料 ④复合材料 任务1：请同学们阅读资料卡片分组讨论硅酸盐的结构。 【引入】我们已经知道了材料的分类，接下来重点研究无机非金属材料中的硅酸盐材料。首先，我们来探讨一下硅酸盐的结构。 【问题】请同学们阅读资料卡片，分组讨论硅酸盐的结构是怎样的？ 【学生活动】分组阅读资料卡片，进行讨论。每个小组推选代表发言，描述硅氧四面体的结构，即每个i结合4个，在中心，在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的相互连接，每个为两个四面体所共有，与2个相结合。 【讲解】评价学生的发言，用模型或动画进一步展示硅氧四面体的结构，强调硅氧四面体结构的特性决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 2.硅酸盐 ⑴硅酸盐是由金属、硅、氧等元素形成的盐 ⑵硅酸盐材料具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀特点! ⑶硅酸盐结构：Si 和 O 构成了硅氧四面体每个 Si 结合 4 个 O， Si 在中心，O 在四面体的 4 个顶角许多四面体通过顶角的O相互连接每个 O 为两个四面体所共有，与 2 个 Si 相结合。 【设计意图】通过阅读资料和分组讨论，培养学生的自主学习能力和合作探究能力，让学生深入理解硅酸盐的结构特点。 任务2：请同学们分组讨论你所知道的身边的硅酸盐材料 【引入】在我们的日常生活中，有很多常见的硅酸盐材料，比如陶瓷。大家能说出生活中哪些地方用到了陶瓷吗？ 【问题】陶瓷的原料、制作条件、用途和性能分别是什么？ 【学生活动】阅读教材相关内容，思考并回答。陶瓷的原料是黏土（含水的铝硅酸盐），制作条件是高温烧结，用途有建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等，性能是熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定。 【讲解】评价学生回答，展示一些陶瓷制品的图片，让学生更直观地感受陶瓷的用途。强调陶瓷是传统无机非金属材料的典型代表，在人类生活中有着重要的作用。。 【设计意图】通过联系生活实际，让学生了解陶瓷这种传统硅酸盐材料，培养学生观察生活、从生活中学习化学的意识。 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见，如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。 ⑴陶瓷 原料：黏土（含水的铝硅酸盐） 条件：高温烧结 性能：熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 用途：建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 任务3：请同学们阅读资料卡片分组讨论如何制作各种玻璃？ 【引入】除了陶瓷，玻璃也是常见的传统硅酸盐材料。在生活中，我们能看到各种各样的玻璃制品。 【问题】请同学们阅读资料卡片，分组讨论如何制作各种玻璃？玻璃的原料、设备、原理、成分和应用分别是什么？ 【学生活动】分组讨论，代表发言。玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂，设备是玻璃窑，原理是，，成分有、、，应用于生产建筑材料、光学仪器、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等。 【讲解】评价学生发言，解释玻璃制作的化学反应原理，展示不同类型玻璃的图片，介绍其特殊性能和用途，如光学玻璃、耐化学腐蚀玻璃、彩色玻璃等。 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 ⑵玻璃 原料:纯碱、石灰石和石英砂 设备:玻璃窑 原理: 成分:、、， 应用:生产建筑材料、光学仪器、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 【设计意图】通过分组讨论和教师讲解，让学生全面了解玻璃的制作过程、成分和应用，培养学生的合作学习能力和对化学知识的应用能力。 任务4： 请同学们分组探讨制造水泥的主要原料是什么？ 【引入】在建筑领域，水泥也是一种非常重要的硅酸盐材料。大家知道水泥是如何制造的吗？ 【问题】请同学们分组探讨制造水泥的主要原料、工业设备、石膏的作用和制作条件分别是什么？ 【学生活动】分组讨论，代表发言。制造水泥的主要原料是黏土和石灰石，工业设备是水泥回转窑，石膏的作用是调节水泥硬化速率，制作条件是高温煅烧。 【讲解】评价学生回答，介绍水泥在建筑中的重要地位，以及水泥硬化的大致过程。 【设计意图】通过分组探讨，让学生了解水泥的生产过程和相关知识，培养学生的探究能力和对化学与生活联系的认识。 【总结讲解】 一、硅酸盐材料 3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 ⑶水泥 原料：黏土和石灰石 工业设备：水泥回转窑 条件：高温煅烧 石膏的作用：调节水泥硬化速率 典例精讲 【例1】判断正误 (1)玻璃纤维是有机物(　　) (2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定(　　) (3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合(　　) (4)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土(　　) (5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(　　) (6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(　　) 【答案】× √ √ √ √ √ 教学环节三 新型无机非金属材料 任务1：请同学们分组讨论沙子和芯片的成分是什么呢？ 【引入】随着科学技术的发展，新型无机非金属材料不断涌现。首先，我们来了解硅和二氧化硅。大家知道沙子和芯片的成分是什么吗？ 【问题】硅的存在形式、性质、用途和高纯硅的制备方法分别是什么？ 【学生活动】阅读教材，分组讨论。硅在自然界中主要以硅酸盐和氧化物的形式存在；硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高，可用于制作计算机芯片、太阳能电池等； 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ①硅的存在形式 在自然界中主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙、石英砂）的形式存在。 ②硅的性质和用途 晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高。 硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料,是应用最广泛的半导体材料。 利用其半导体性能制成计算机、通信设备和家用电器的芯片。 光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等。 任务2：请同学们分组讨论如何从沙滩到用户? 高纯硅的制备 【问题】高纯硅的制备方法分别是什么？ 【交互动画】高纯硅的制备 【学生活动】高纯硅的制备一般先制得粗硅，再将粗硅转化为三氯硅烷（），最后经氢气还原得到高纯硅，涉及的反应方程式为， ， 。 【讲解】评价学生发言，用交互动画展示高纯硅的制备过程，强调硅在现代信息技术和新能源技术中的重要作用。 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ③高纯硅的制备 【设计意图】通过阅读和讨论，让学生了解硅的相关知识，培养学生的自主学习能力和对化学知识的理解能力。 典例精讲 【例1】高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备： 下列说法不正确的是( ) A.步骤①的化学方程式：SiO2＋C Si＋CO2↑ B.步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子 C.步骤③中的反应为氧化还原反应 D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料 【答案】A 任务3：请同学们分组讨论沙子、石英砂、石英、玛瑙、水晶的主要成分是什么吗？ 【问题】二氧化硅的物理性质、化学性质和用途分别是什么？ 【交互动画】二氧化硅的性质和用途 【学生活动】阅读教材，交互动画总结回答。二氧化硅的物理性质是硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电；化学性质具有酸性氧化物的通性， 如与碱性氧化物反应）； 与某些盐反应（如）， ， 与强碱反应， 还具有特性，如，； 用途是可用来生产光导纤维。 【讲解】评价学生回答，通过对比二氧化碳的性质，帮助学生理解二氧化硅的化学性质，强调二氧化硅在通信领域的重要应用。 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （2）二氧化硅 ①二氧化硅的物理性质 硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电 ②具有酸性氧化物的通性（类比CO2） a.不溶于水，不与水反应（特殊） b.与碱性氧化物反应 c.与某些盐反应 d.与强碱反应 ③SiO2的特性 ③弱氧化性 ④二氧化硅的用途 二氧化硅可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大， 抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。 【设计意图】通过阅读和交互动画总结，让学生掌握二氧化硅的性质和用途，培养学生的归纳总结能力和知识迁移能力。 典例精讲 【例2】下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是( )，含有硅单质的是( )。 ①门窗玻璃　②水晶镜片　③石英钟表　④玛瑙首饰 ⑤硅太阳能电池 ⑥光导纤维　⑦计算机芯片 A.①②③④⑥ B.全部 C.⑤⑦ D.①②⑥⑦ 【答案】A C 任务4：请同学们分组讨论你了解新型无机非金属材料吗？ 【引入】除了硅和二氧化硅，新型陶瓷也是重要的新型无机非金属材料。大家对新型陶瓷了解多少呢？ 【问题】新型陶瓷在组成、结构、性能和应用方面有哪些特点？ 【学生活动】阅读教材，分组讨论。新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，碳原子和硅原子通过共价键连接；性能方面具有硬度大、高温抗氧化性能等，可作为砂纸和砂轮的磨料，还可用于耐高温结构材料、耐高温半导体材料等；应用领域不断拓展，如高温结构陶瓷可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等，压电陶瓷可用于滤波器、扬声器等，透明陶瓷可用于高压钠灯、激光器等，超导陶瓷可用于电力、交通、医疗等领域。 【讲解】评价学生发言，展示新型陶瓷在不同领域应用的图片和视频，让学生更直观地感受新型陶瓷的奇特性能和重要作用。 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 2.新型陶瓷 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能，进一步拓展了陶瓷的应用领域。 结构：碳原子和硅原子通过共价键连接 性能:硬度大——砂纸和砂轮的磨料 高温抗氧化性能:耐高温结构材料;耐高温半导体材料 【设计意图】通过阅读和讨论，让学生了解新型陶瓷的特点和应用，拓宽学生的知识面，激发学生对新材料的兴趣。 任务5：请同学们分组讨论什么是碳纳米材料吗？它有哪些用途？请观看视频并总结！ 【引入】最后，我们来了解一下碳纳米材料。大家听说过富勒烯、碳纳米管和石墨烯吗？ 【总结讲解】 二、新型无机非金属材料 3.碳纳米材料 (1)富勒烯——纳米王子 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称代表物：C60，C60的发现为纳米科学提供了重要研究对象，开启了纳米材料研究和应用的新时代。 纳米车的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴末端是4个“巴基球”做成的轮子。“巴基球”是由60个碳原子构成的纳米级球状分子，具有很多新奇的特性，在纳米技术研究中很受科学家重视。 (2)碳纳米管——直达宇宙的太空天梯 碳纳米管可以看成是由石墨片卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器。 (3)石墨烯——新材料之王 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低，热导率高，具有很高的强度。作为一种强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。 典例精讲 【例3】判断正误 (1)生产光导纤维的原料是二氧化硅(　　) (2)SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以SiO2属于两性氧化物(　　) (3)因为Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强(　　) (4)水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2(　　) (5)CO2和SiO2都是由分子构成的化合物，所以两者物理性质相似(　　) (6)可以通过SiO2与水反应一步制得硅酸(　　) (7)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体(　　) 【答案】√ × × √ × × × 一、硅酸盐材料 1.材料分类 金属材料 无机非金属材料 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料 2.硅酸盐 定义：由金属、硅、氧等元素形成的盐 结构：硅氧四面体 特点：硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀 3. 传统无机非金属材料——硅酸盐材料 传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见，如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。 ⑴陶瓷 原料：黏土（含水的铝硅酸盐） 条件：高温烧结 性能：熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 用途：建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 ⑵玻璃 原料:纯碱、石灰石和石英砂 设备:玻璃窑 原理: 成分:、、， 应用:生产建筑材料、光学仪器、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 二、新型无机非金属材料 1.硅和二氧化硅 （1）硅 ①硅的存在形式 在自然界中主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙、石英砂）的形式存在。 ②硅的性质和用途 晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高。 硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料,是应用最广泛的半导体材料。 利用其半导体性能制成计算机、通信设备和家用电器的芯片。 光伏电站、人造卫星和电动汽车的硅太阳能电池等。 ③高纯硅的制备 （2）二氧化硅 ①二氧化硅的物理性质 硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电 ②具有酸性氧化物的通性（类比CO2） a.不溶于水，不与水反应（特殊） b.与碱性氧化物反应 c.与某些盐反应 d.与强碱反应 ③SiO2的特性 ③弱氧化性 ④二氧化硅的用途 二氧化硅可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大， 抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。 2.新型陶瓷 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能，进一步拓展了陶瓷的应用领域。 结构：碳原子和硅原子通过共价键连接 性能:硬度大——砂纸和砂轮的磨料 高温抗氧化性能:耐高温结构材料;耐高温半导体材料 3.碳纳米材料 (1)富勒烯——纳米王子 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称代表物：C60，C60的发现为纳米科学提供了重要研究对象，开启了纳米材料研究和应用的新时代。 纳米车的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴末端是4个“巴基球”做成的轮子。“巴基球”是由60个碳原子构成的纳米级球状分子，具有很多新奇的特性，在纳米技术研究中很受科学家重视。 (2)碳纳米管——直达宇宙的太空天梯 碳纳米管可以看成是由石墨片卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器。 (3)石墨烯——新材料之王 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低，热导率高，具有很高的强度。作为一种强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。 1．下列关于硅酸盐材料的说法错误的是(　　) A．生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷 B．普通玻璃的主要成分是二氧化硅 C．陶瓷的主要原料是黏土 D．硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料 【答案】B 2. 下列有关硅的说法不正确的是(　　) A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 B．硅的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应 D．加热到一定程度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应 【答案】C 3.化学创造美好生活，下列说法错误的是 A．超导陶瓷可应用于磁悬浮技术 B．手机芯片和光导纤维的主要成分都是硅单质 C．光化学烟雾和臭氧层空洞的形成均与NOx有关 D．SiC硬度很大，可用作砂轮的磨料，是一种新型无机非金属材料 【答案】B 4.光纤通信是一种现代化的通讯手段，光纤通信容量大，一对光纤上可同时传送3万门电话。制造光导纤维的主要原料是SiO2，则SiO2属于 A．酸 B．碱 C．盐 D．酸性氧化物 【答案】D 5.高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。从石英砂(主要成分为SiO2)制取高纯硅涉及的主要反应流程如下： 下列说法不正确的是 A． 制备粗硅的反应方程式为 B．反应①②③均为氧化还原反应 C．流程中HCl和H2可以循环利用 D．反应②与反应③互为可逆反应 【答案】C 在本节课的教学中，通过实验探究、问题驱动等多种教学方法，引导学生了解了无机非金属材料的相关知识。从课堂反馈来看，学生对传统硅酸盐材料如陶瓷、玻璃、水泥的生产和用途比较感兴趣，通过实例讨论，能较好地掌握其特点。但在新型无机非金属材料部分，如高纯硅的制备、新型陶瓷和碳纳米材料的理解上存在一定困难。 在今后的教学中，对于抽象的知识可以多结合实际生活中的应用案例，借助多媒体资源展示微观结构和生产过程，帮助学生更好地理解。同时，增加课堂互动环节，鼓励学生提出问题，及时解决他们的疑惑，提高学生的学习积极性和参与度。 / 学科网（北京）股份有限公司 $