План-конспект интегрированного урока по географии и химии на тему: «Кремний и его соединения»
план-конспект урока по географии по теме

Интегрированный урок по географии и химии на тему:

«Кремний и его соединения»

Цели и задачи:

Показать роль и значение кремния в жизни человека, сформировать представление о силикатной промышленности, о производстве керамики, стекла, цемента. Показать применение соединений кремния для нужд человечества.

1. Оборудование:
2. Карта Российской Федерации.
3. Физическая карта мира.
4. Коллекция поделочных и драгоценных камней.
5. Раздаточный материал горных пород.
6. Таблица химических элементов
7. Презентация «Камни-самоцветы»
8. Реактивы и оборудование для получения кремниевой кислоты и определения  силикат-иона"

План проведение урока:

Учитель химии   Происхождение названия «кремний»

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч. κρημνός — «утес, гора».

Учитель географии:

Нахождение в природе

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л[2].

Кремний необходим для жизни растений и животных, придает прочность стеблям, гладкость и прочность костям, также входит в состав низших живых организмов. Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма - соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы, образуемые диоксидом кремния - это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

В природе встречаются  множество минеральных соединение кремния, но мы поговорим подробно только о 2, наиболее известных : кремень и кварц

 «Не пес, не северный олень,

Ни кошка и не конь,

Был первым приручен кремень,

А вместе с ним- огонь»

Креме́нь (греч. κρημνός — «утёс, гора»)— минерал, конкреции кремнезема (SiO2) в осадочных горных породах. Часто окрашен окислами железа и марганца в разные цвета, с плавными переходами между ними.

Использование в древности

Кремень дает острый скол, поэтому  кусочки кремня́ древним человеком использовались для изготовления оружия и бытовых предметов (наконечники стрел, кремнёвые ножи и скребки.)..

Демонстрация артефактов из археологической коллекции школьного музея

В средние века кремень широко использовался для получения огня путём высекания искр на трут с помощью двух кусков кремня, или одного кремня и куска другого материала (кремень  пирит, кремень  сталь).

Позже использовался в оружейном деле в колесцовых и ударных кремнёвых замках.

Презентация "Камни-самоцветы"

Кварц

Кварц является одним из самых распространенных минералов
Химически чистый кварц лишен окраски, он водяно-прозрачный. Именно об этой разновидности, когда ее впервые обнаружили в Альпах, думали, что она представляет собой форму замерзшей воды, и поэтому назвали ее хрусталем (от греческого crystal - лед). такие искрящиеся камни в ограненном виде местами называли алмазами. Впервые название "кварц" (quartz) было применено, по-видимому, горняками из Рудных гор

"Цитрин" - правильное название желтой разновидности кварца. Оно происходит от французского слова citron (лимон) и дано этому камню потому, что цветом он напоминает некоторые виды этих плодов.

Кернгорм (первоначальное и более правильное название - "кернгормский камень") - коричневато- или дымчато-желтый кварц. Он назван так потому, что многие образцы этой разновидности кварца находили раньше в Кернгормских горах в Шотландии. Английское слово cairngorm является слегка измененной формой галльского слова carngorm (синий керн). Его неправильно называли шотландским топазом. Камни с более густой коричневато-дымчатой окраской известны под названием "дымчатый кварц". "Морион"- название, данное дымчато-бурому или черному кварцу.

Розовый кварц, который, как указывает название, имеет розово-красную или розовую окраску, выцветает на сильном солнечном свету. Эта разновидность кварца редко образует ограненные кристаллы и в лучшем случае лишь частично просвечивает, а также в большей или меньшей степени иссечена трещинами.

Молочный кварц почти непрозрачен и напоминает по цвету молоко. Радужный кварц, или ирис,- это кварц, содержащий трещинки. Он получил название из-за цветового эффекта, возникающего при интерференции света, падающего на эти трещинки. Трещины можно получить искусственно, нагревая камень и затем быстро охлаждая его погружением в воду. В таких случаях эффект можно усилить, вводя в трещины красящее вещество.
Аметист  Пурпурно-фиолетовый аметист является самой ценной разновидностью ограночного кварца. Популярность аметиста не уменьшается с древнейших времен, а истощение природных месторождений постоянно повышает его стоимость.
Учитель химии.

Окраска кварца ставит интересную и пока еще не полностью решенную проблему. Цвет минералов может быть вызван присутствием элементов-примесей, входящих в структуру. Так, цвет аметиста объясняли присутствием марганца, а цвет розового кварца - присутствием марганца или титана. Однако спектрографическое изучение не подтвердило это предположение. В одной из серии исследований аметиста были обнаружены резкие линии алюминия, хрома и меди и более слабые линии магния и титана. Измерения, проведенные на серии образцов дымчатого кварца и аметиста из ряда японских месторождений, показали, что густота окраски пропорциональна содержанию железа. Давно известно, что окраска кварца неустойчива к воздействию высоких температур, и ее исчезновение можно связать с разрушением центров окраски по мере восстановления первичной структуры.
Учитель географии.
Кварц (наряду с корундом) в отношении простоты химического состава располагается в ряду драгоценных камней после алмаза являясь просто окисью кремния, или кремнеземом SiO2. При высоких температурах кремнезем образует другие структурные модификации.
Твердость кварца по шкале  Мооса равна 7. Кварц не царапается стальным ножом и устойчив к абразивному воздействию обычной пыли. Он не обладает спайностью.

Учитель химии.

Из курса природоведения вы помните, что наименьшей частицей любого вещества, сохраняющей все его свойства, является молекула. Молекулы в свою очередь состоят из атомов. Каждый вид атомов обозначается символом латинского алфавита. Взгляните на таблицу химических элементов. Сейчас их известно более 100, но 7 из них захватили фактически всю земную кору. Американский ученый Кларк и отечественные ученые Ферсман и Виноградов подсчитали, что почти половину твердой земной коры составляют кислород, 1/3 - кремний, 1/16 - алюминий, 1/20 - железо, 1/40 - кальций, натрий и калий.

Ученики делают сообщения о физических свойствах простого вещества кремния и свойствах его аллотропных модификаций.

На экране демонстрируется схема кристаллической решетки кремния.

Учитель отмечает сходства и различия ее с кристаллической решеткой алмаза

Учитель химии.

Химические свойства

В соединениях кремний склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp3-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF4. При нагревании до температуры 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO2, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHalogen4.

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой SinH2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH4 (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Ca2Si + 4HCl → 2CaCl2 + SiH4↑.

Образующийся в этой реакции силан SiH4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si2H6 и трисилана Si3H8, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si3N4, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB3, SiB6 и SiB12. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремния SiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

При нагревании кремния с металлами образуются силициды. Силициды можно подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca2Si, Mg2Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются.

Ca2Si + H2SO4→ 2Ca SO4 + SiH4↑.

 При восстановлении SiO2 кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II) SiO.

Для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R1 и R2 = CH3, C2H5, C6H5, CH2CH2CF3 и др.

При нагревании кремний реагирует со смесью плавиковой и азотной кислоты

1. Si+2HNO3=SiO2+NO+NO2+H2O
2. SiO2+4HF=SiF4+2H2O
3. 3SiF4+3H2O=2H2SiF6+↓H2SiO3

Кремний реагирует также с концентрированными растворами щелочей, образуя силикаты и водород

1. Si+2KOH+H2O=K2SiO3+2H2↑

Получение.

Свободный кремний может быть получен прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который по химическому составу является почти чистым окислом кремния,

• SiO2+2Mg=2MgO+Si ,

образующийся при этом аморфный кремний имеет вид бурого порошка, плотность которого равна 2,0 г/см³ [3]

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO2 коксом при температуре около 1800 °C Возможна дальнейшая очистка кремния от примесей.

• Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg2Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный силан SiH4. который очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C.

• Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl4 и SiCl3H. Эти хлориды различными способами очищают от примесей (как правило перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C.

• Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей.

Содержание примесей в очищенном кремнии может быть снижено до 10−8—10−6% по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний

Кремний образует генетический ряд, который отличается от рядов, образованных другими неметаллами: «НЕМЕТАЛЛ -  КИСЛОТНЫЙ ОКСИД – СОЛЬ – КИСЛОТА – СОЛЬ»Причины своеобразия объясняются химической инертностью кремния и его оксида.

Si + O2SiO2

Оксид кремния (IV) –кислотный оксид, имеет атомную кристаллическую решетку. Это твердое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде и кислотах (кроме плавиковой). При высоких температурах (сплавлении) взаимодействует со щелочами с образованием силикатов – солей кремниевой кислоты.

SiO2 + NaOH Na2SiO3 + H2O

Силикаты также можно получить  сплавлением  оксида кремния с оксидами металлов и карбонатами.

SiO2 + CaO  CaSiO3

SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2

Силикаты натрия и калия растворимы в воде, их называют жидким стеклом. Это хорошо известный силикатный клей.

Кремниевая кислота получается действием сильных кислот на растворимые силикаты. Это очень слаба, нерастворимая в воде кислота, выпадающая из раствора в виде студенистого осадка.

Na2SiO3 + H2SO4  H2SiO3↓  + Na2SO4

Кремниевая кислота неустойчивая, разлагается на оксид и воду.

Учащиеся проводят лабораторный опыт. «Получение кремниевой кислоты реакцией обмена, проведение качественной реакции на наличие силикат-иона в растворах солей»

На столах образцы кристаллических силикатов натрия и калия, учитель предлагает проверить растворимость этих солей в воде, получить кремниевую кислоту реакцией обмена и проделать качественную реакцию не определение силикат-иона.

Учитель географии.

Применение.

Кроме того что кварц дает ювелирный материал, он является очень ценным полезным ископаемым. Вследствие высокой твердости кварц иногда предпочитают стеклу в качестве материала для изготовления линз для очков, так как такие линзы нелегко оцарапать при обычном ношении и их поверхность сохраняет полировку очень длительное время. Кварц превосходит стекло по прозрачности для ультрафиолетовых лучей, к которым обычно наиболее чувствительна фотопленка, поэтому его применяют для изготовления линз, используемых при тонких фотографических работах
Благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам кварц довольно неожиданно оказался неоценимым материалом для изготовления стабилизаторов частоты радиоволн. В кварцевых пластинках, стержнях или кольцах можно посредством электрического возбуждения вызвать вибрацию, а стабильность механических колебаний может обеспечить стабильность электрических колебаний. При этом используется то обстоятельство, что амплитуда последних необыкновенно возрастает в том случае, когда их частота совпадает с частотой первых. Этот же принцип используется при создании высокоточных часов. Очевидно, что кристаллы кварца, используемого для таких целей, не должны содержать и следов двойникования, потому что в противном случае пьезоэлектрические оси были бы искажены и способность к колебаниям нарушена. ' Опыт показал, что многие кристаллы кварца, которые казались монокристальными, на самом деле представляют собой двойники и поэтому непригодны в качестве регуляторов колебаний.

Кварцевый песок широко используется как абразив для изготовления "шкурки" и очищающих паст, а также как составная часть стекольных шихт. При плавлении в кислородно-водородном пламени кварц превращается в кварцевое стекло, которое обладает совершенно иными физическими свойствами по сравнению с обычным стеклом. У кварцевого стекла отсутствует двупреломлениё, а величина показателя преломления снижается до 1,460. Дисперсия равна 0,008. Плотность снижается до 2,2, а твердость уменьшается до 5 по шкале Мооса. Кварцевое стекло широко используется в лабораториях и в домашнем обиходе, потому что оно выдерживает быстрое и неравномерное нагревание без риска расколоться. Оно может быть вытянуто в волокно, столь же тонкое, как и шелковое, но не имеющее характерной для шелка тенденции к скручиванию, и поэтому такое волокно неоценимо в тонких торсионных экспериментальных приборах, например в приборах, используемых для определения массы Земли.

Учитель химии.

Технический кремний находит следующие применения:

1. сырье для металлургических производств: компонент сплава (бронзы, силумин); раскислитель (при выплавке чугуна); модификатор свойств металлов или легирующий элемент (например, добавка определённого количества кремния при производстве трансформаторных сталей увеличивает коэрцитивную силу готового продукта) и т. п.;
2. сырье для производства более чистых поликристаллического кремния и очищенного металлургического кремния (в литературе «umg-Si»);
3. сырье для производства кремнийорганических материалов, силанов;
4. иногда кремний технической чистоты и его сплав с железом (ферросилиций) используется для производства водорода в полевых условиях;
5. для производства солнечных батарей.

Cверхчистый кремний преимущественно используется для производства одиночных электронных приборов (нелинейные пассивные элементы электрических схем) и однокристалльных микросхем. Чистый кремний, отходы сверхчистого кремния, очищенный металлургический кремний в виде кристаллического кремния являются основным сырьевым материалом для солнечной энергетики.

Монокристаллический кремний — помимо электроники и солнечной энергетики используется для изготовления зеркал газовых лазеров.

Соединения металлов с кремнием — силициды, являются широкоупотребляемыми в промышленности (например, электронной и атомной) материалами с широким спектром полезных химических, электрических и ядерных свойств (устойчивость к окислению, нейтронам и др.). Силициды ряда элементов являются важными термоэлектрическими материалами.

Соединения кремния служат основой для производства стекла и цемента. Производством стекла и цемента занимается силикатная промышленность. Она также выпускает силикатную керамику — кирпич, фарфор, фаянс и изделия из них.

Широко известен силикатный клей, применяемый в строительстве как сиккатив, а в пиротехнике и в быту для склеивания бумаги.

Получили широкое распространение силиконовые масла и силиконы — материалы на основе кремнийорганических соединений.

Заключение.

ТЕСТИРОВАНИЕ ПО ТЕМЕ

1. Кремний является элементом главной подгруппы а) 3б) 4в) 6

2. На внешнем электронном уровне атома кремния находится электронов:

а) 2 б)  4 в) 6

3. Атом кремния по сравнению с атомом углерода имеет радиус: а) такой же

б) меньший в) больший

4. Окислительные свойства кремния по сравнению с углеродом выражены:

а)  сильнее б) слабее в) одинаковы

5. Степень окисления кремния в соединениях с металлами: а) -4 б) +4 в) 0

6. В химических реакциях с неметаллами кремний играет роль:

а) окислителя б) восстановителя

7. Кремний имеет кристаллическую решетку: а) молекулярную б) атомную в) ионную

8. Кремний встречается в природе: а) в свободном состоянии б) в виде оксида

в) в виде силикатов

9. Оксид кремния в основном проявляет свойства: а) основного оксида

б) аморфного в) кислотного

10. Кремниевая кислота относится к кислотам: а) сильным б) слабым в) устойчивым

Авторы: Лихтман М.И.  учитель химии

Фетисова Н.В. учитель географии

МОУ СОШ №1 г.Пушкино