Кремний и его соединения

Цель урока: способствовать формированию знаний о кремнии, его соединениях. Изучить применение кремния, его соединение в силикатной промышленности.

Образовательные ресурсы (оборудование):

• Учебник Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман «Химия», 9 класс. - М.: Просвещение, 2019 г.
• Лабораторный опыт.
• Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева.
• Образцы природных соединений кремния, вода, силикат натрия, соляная кислота, гидроксид натрия, пробирки, спиртовка, пробиркодержатель.

Методы и формы обучения: методы: словесно-наглядные.

Формы: Беседа, письменная проверка знания с последующим обсуждением результатов, рассказ, решение упражнений и задач.

Формы контроля: устные (беседа), самоконтроль (по образцу).

Тип урока: лекция (включает элементы опроса, беседы, самостоятельной работы, фронтальной и групповой работы).

Задачи обучения:

• Обучающие: формирование знания по теме «Кремний и его соединения»; наблюдать, анализировать, выделять главное, делать выводы.
• Развивающие: продолжить развитие, умение объяснять смысл изученных понятий, применять эти понятия и делать выводы.
• Воспитательные: воспитывать умение аккуратно вести записи в тетради; продолжить формирование научного мировоззрения таких качеств личности как ответственное отношение к порученному делу, умение оценивать результаты своего труда; формировать экологическую культуру.

Используемые педагогические технологии:

• Сотрудничество Учитель-ученик.
• Обучение-усвоение знания технического развития критического мышления, применение информационных навыков.
• Здоровьесберегающие технологии Девиз урока: «Никакой организм не может существовать без кремния», заявил В.И.Вернадский в 1944 году.

«Насколько вода является уникальной жидкостью, настолько и аморфны кремнезем уникален как твердое вещество. Они во многом схожи». (Ральф Айлер)

1. Организационный момент

Вводное слово учителя (ознакомление с целями, задачами, темой и ходом урока)

Сегодня мы познакомимся с еще одним неметаллом химическим элементом и простым веществом кремния и его соединениями.

Актуализация знания (опрос знаний учащихся через повторение ранее изученной темы «Углерод - химический элемент и простое вещество аллотропия углерода»):

1. Положение углеродов в периодической системе;
2. Составить схему строения атома углерода (размещение электронов по энергетическим уровням), (индивидуальная самостоятельная работа учащихся у доски);
3. Углерод в природе;
4. Аллотропия углерода;
5. Физические свойства алмаза и графита (заполнить таблицу): (групповая работа учащихся)

Алмаз	Графит

Учащийся записывает тему урока, отвечает на вопросы учителя, используя знания об углероде как простом веществе. Изучают коллекцию образцов соединений углерода, делают вывод о строении, свойствах и применении.

2. Изучение нового материала

Сегодня мы будем говорить об одном из самых интересных элементов периодической системы химических элементов противоречивом кремнии.

План урока:

1. Из истории кремния. Положение кремния в периодической таблице химических элементов.
2. Физические свойства кремния. Строение атома кремния.
3. Химические свойства кремния и его соединений.
4. Получение кремния.
5. Применение кремния: в нанотехнологиях, оптоэлектронике, промышленности, медицине.
6. Кремний и жизнь: кремний в организме человека и животных, кремний в растительном мире.
7. Обобщение изученного материала. Закрепление.
8. Домашнее задание. Физминутка (релаксация).
9. Выводы по теме.
10. Литература.

Прежде чем мы перейдем к изучению новой темы я прошу вас вспомнить характеристику углерода, аллотропии и адсорбция (ученики отвечают). Цель нашего урока выяснить положение кремния в периодической таблице химических элементов, строение атома, физические и химические свойства и области применения. Мы будем сравнивать химические свойства углерода с химическим свойством кремния. Кремний в периодической таблице химических элементов находится в главной подгруппе IV группы в III малом периоде в 3 ряду.

Из истории кремния

«Кремний один из самых распространенных элементов на земле (27, 6 % от веса земной коры). Только представьте, он занимает второе место после кислорода» (Виноградов А.П.). Главнейшими соединениями кремния являются песок, кварц, кремнезем и различные алюмосиликаты.

Кремний играет такую же роль в жизни земной коры, как углерод в органическом мире. Название кремния происходит от латинского слова lapiscreimans - кремень (камень, дающий огонь).

Другое название силиций происходит от латинского слова sillex, что в переводе означает твердый камень, огнево.

С греческого языка «кремное» - утес, скала.

В виде различных соединений кремний известен человеку еще с глубокой древности: первые орудия труда были изготовлены человеком из кремневых соединений (каменный век). Использование соединения кремния, связано с его переработкой относится к V веку до н.э., когда люди научились изготовлять стекло.

В свободном состоянии кремний впервые получили Ж.Луи-Гей Люссак и Л.Жак Тенар в 1811 году. Однако они не узнали, что представляет приготовленное ими вещество. Впервые кремний был получен и назван И.Я.Берцеллиусом в 1823 году, который восстановил калием фтор силикат калия и получил порошок коричневого цвета, растворимый в воде: K₂SiF₆ + 4K = 6KF + Si.

Физические свойства кремния. Строение атома кремния

Элементарный кремний кристаллическое металловидное тело, которое имеет правильную гранцентрированную кристаллическую решетку с периодом: a = 5,4297A. Из-за большей длины связи между атомами Si - Si по сравнению с длиной связи С - С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 градусов он становится пластичным веществом. Существует высокотемпературная гексагональная модификация. Плотность кремния 2,328 г/см². Температура плавления - 1423º C, температура кипения около 2600º С. Твердость по шкале Мооса равна 7, по Бринвелю - 240 кг/см.

Химические свойства кремния и его соединений

Кремний-восстановитель. Все реакции протекают при нагревании!

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

→ Si - 4eSi⁺⁴ восстановитель
→ O₂ + 4e2O^-2 окислитель

2. Si + 2F₂ = SiF₄ (галогенид кремния)

Кремний-окислитель

Si + 2NaOH (конц) + H₂O = Na₂SiO₃ + 2H₂ ↑

Si + 2Ca = Ca₂Si (силицид кальция)

Вывод. Свойства кремния и углерода похожи. Оба неметалла взаимодействуют с кислородом, галогенами и металлами, но в отличие от углерода, кремний напрямую не соединяется с водородом.

Соединения кремния

- силен SiH₂

↓↓ - получают косвенно, действуя на силициды Mg2Si + 4H₂O = 2Mg (OH)₂ + SiH₂

Силен - бесцветный газ, самовоспламеняющийся на воздухе и сгорающий с образованием оксида кремния и воды. SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ + 2H₂O

Свойства кремнезема

Рассматриваются свойства оксида кремния (IV) и проводится сравнительный анализ двух оксидов - SiO₂ и CO₂.

Результаты обсуждения в виде таблицы № 1 в приложении. Обратите внимание на одно важное свойство оксида кремния SiO₂ + 4HF = 2H₂O + SiF₄.

Оксид кремния входит в состав, поэтому плавиковую кислоту нельзя хранить в стеклянной посуде.

Оксид кремния SiO₂ (IV) необходим и растениям, и животным.

Получение кремния

Способы получения кремния основаны в основном на восстановление оксида кремния (IV) SiO₂ сильными восстановителями - активными металлами (Mg, Al) и углеродом.

Лабораторный способ: SiO₂ + 2Mg = 2MgO + Si.

Промышленный способ: SiO₂ + 2C = 2CO + Si.

Он придает прочность стеблям растений и покровам животных (камыши твердо стоят, осока режет, как лезвие, чешуя рыб, панцири насекомых, крылья бабочек, перья птиц, шерсть животных содержит оксид кремния (IV).

Вывод. Физические свойства оксидов резко отличается, так как они образуют разные кристаллические решетки - молекулярную (CO₂) и атомную (SiO₂), но химические свойства схожи. Отличие состоит в различном отношении к воде.

Кремневая кислота и ее соли

Кремниевая кислота H₂SiO₃ (плавиковая) единственная нерастворимая неорганическая кислота, двухосновная, слабая: H₂SiO₃ t→ H₂O + SiO₂. При высыхании образует силикагель, используемый в качестве адсорбента. Получить кремниевую кислоту можно только из его солей.

Составление уравнения реакция кремниевой кислоты (самостоятельно на доске): ↓Na₂SiO₃ + 2HCl = NaCl + H₂SiO₃

↓SiO₃^2- + 2H⁺ = H₂SiO₃

Соли кремневой кислоты называют силикатами. Их можно получить с плавлением оксида кремния с оксидами металлов или карбонатами:

↓SiO₂ + CaO = CaSiO₃

↓SiO2 + CaCO₃ = CaSiO₃ + CO₂

Применение соединений кремния в народном хозяйстве (самостоятельно, работа с учебником, производить запись в тетради §37 - Кремний. Оксид кремния. §38 - Кремневая кислота и ее соли. Стекло. Цемент. Учебник «Химия» 9 кл., Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман, 2019. Москва, Просвещение)

Применение кремния: в нанотехнологиях, оптоэлектронике, промышленности, медицине

Применение кремния в нанотехнологиях

Кремний (C-Si) существует в различных формах (кристалллически, полукристаллически, аморфные). В настоящее время активно используется аморфный кремний. Аморфный кремний - малая энергетика, солнечные батареи из него не боятся ни снега, ни дождя, ни пыли. Они подходят для того, чтобы в полевых условиях обеспечить электроэнергией ту электронику, которая необходима для работы спутниковой связи, компьютеров беспилотной системы и прочее.

Кремний является основой современной микроэлектроники и фоточувствительной онтоэлектроники (фотовольтаики).

Применение кремния в промышленности

Применение кремния в мире (почти 80%) остается традиционным лигатура при производстве гаммы специальных сталей (электротехнических, жаростойких) и различных сплавов (силумины).

Значительная часть кремния и его сплавов применяется в черной металлургии как весьма эффективный раскислитель сталей, преимущественно применяются ферросплавы и прочие сплавы кремния.

Применение кремния в медицине: в лечении глазных заболеваний, хирургической имплантации, сахарного диабета и онкологии.

Кремний и жизнь

Кремний в организме человека и животных

Некоторое количество кремния входит в состав живых организмов. В количестве от 0,001 до 1,01 масс%. Он присутствует в теле человека (в лопатках, ногтях кожи, в щитовидной железе, в надпочечниках и гипофизе). Кожа человека обязана кремнию в какой-то мере упругостью, волосы блеском, зубы твердостью, а кости - крепостью.

Кремний участвует в процессе формирования соединительной ткани, которая выполняет опорную и защитную функцию в организме.
Особенно важен кремний для построения и функционирования кровеносных сосудов, где он входит в состав эластина.

Кремний в растительном мире

Кремний играет значительную роль в жизни растений. Абсолютным рекордсменом по содержанию кремния являются споровые хвощи, в которых найдены особые ферменты, способствующие превращению неорганических соединений в органические. Однако для успешного функционирования таких ферментов почва обязательно должна содержать соединения кремния. Их отсутствие делают почву бесплодной: она не способна аккумулировать энергию солнца и передавать ее растениям. Ключевую роль в круговороте кремния играют диатомные водоросли, являющиеся широко распространенными представителями растительного мира. На их долю приходится около 95% кремния. Диатомные водоросли являются главными концентраторами кремния живой природы.

3. Обобщение изученного материала. Закрепление

1. Перечислите химические элементы IVА группы периодической системы Д.И.Менделеева. Найдите общие и отличительные черты в строении этих элементов (фронтальная работа).
2. Составьте характеристику кремния по плану: нахождение в природе → получение → состав → строение → свойства → получение → применение (самостоятельная работа учащихся.
3. Кремний и жизнь: кремний в организме человека и животных, кремний в растительном мире (фронтальный опрос учащихся).

Домашнее задание. Подведение итогов урока. Выставление оценок. Информация о ходе домашнего задания. Инструктаж по его выполнению.

Преподаватель дает задание. Учащиеся записывают задание в тетради. §37-38, стр. 131-138. Учебник «Химия», 9 кл. Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман. Москва. Просвещение. 2019.

Учащиеся быстро утомляются на уроках, поскольку находятся в статичном положении. Физкультминутка (релаксация) помогает мне и учащимся снятию умственного утомления. На уроке вместе с учащимися делаю физкульт минутку.

• Трава маленькая - маленькая (делают приседания)
• Деревья высокие - высокие (поднимают руки вверх)
• Ветер деревья качает - качает (вращаются)
• То направо, то налево - наклоняют (наклоняются вправо и влево)
• То вверх, то назад (подтягиваются то вверх, то назад)
• То вниз сгибает (наклоняются вперед)
• Птицы летят - улетают (машут руками «Крыльями»)

Выводы по теме урока

• Кремний - один из важнейших и самых распространенных элементов на земле;
• Кремний не только составляет большой процент массы земной коры, но и содержится во всех живых организмах.
• Кремний повсюду.
• Кремний - это необходимый элемент для развития любого живого организма, так как он выполняет функцию структурного материала и участвует в обменных процессах.
• Кремний - незоэлемент, то есть может превращать один вид энергии в другой (механическую в электрическую, световую - в тепловую.
• Широкое и успешное применение в современных технологиях говорит об актуальности изучения этого элемента. Широкое и успешное применение кремния в современных технологиях говорит об актуальности изучения этого элемента и свойств с еще большим вниманием.

Приложение

Литература

1. Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман Химия. 9 класс. Москва. Просвещение. 2019.
2. О.В.Боброва. Кислород. Химический элемент и простое вещество. Физические и химические свойства кислорода. Первое сентября № 8, 16-30 апреля 2011г.
3. Устюжанина С.Н. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева в свете учения о строении атома. Химия. Все для учителя. № 10 (70), октябрь 2016г.
4. Лябин М.Г., Десятиркина И.А., Кузнецова Кремний. Химия. Все для учителя. № 9 (69), сентябрь 2016г.
5. Тюрина Г. Азот и его свойства. Химия. Все для учителя. № 9 (69), сентябрь 2016.
6. Сыроедова И.А. Кремний и его соединения. 9 кл. Химия. Все для учителя. № 11-12 (71-72), ноябрь-декабрь 2016г.