高中化学课堂教学实录：碳族元素的性质及规律

教学目标

1.使学生了解碳族元素的性质及其规律。

2.使学生进一步了解运用元素周期律知识学习同族元素性质及其递变规律的方法，并运用这些知识学习碳族元素及其化合物的知识。

3.培养学生的总结、思考、判断能力。

教学重点

碳族元素递变规律

硅和二氧化硅的化学性质

教学难点

以碳族元素知识为载体，培养学生归纳、运用、迁移知识的能力。

课时安排

2课时

教学方法

引导、探究、自学、对比、练习

教具准备

投影仪、炭块、有划痕的罐头瓶盖、镊子、两条干燥的布条或线绳（其中一条在硅酸钠溶液中预先浸过）、酒精灯、火柴

教学过程

第一课时

引言：请大家看课本彩图中的硅单质照片。

师：别看它看起来灰溜溜，它自己及它的化合物的作用却是大得很。大到高科技领域，小到我们的周围，到处都有硅及其化合物的踪影。当今电子工业的飞速发展，更是与人们对硅的性质的认识息息相关。本章，我们就来学习硅及硅酸盐工业，同时了解几种新型无机非金属材料。

板书：第七章　硅和硅酸盐工业

师：（用镊子取一块炭展示给学生）

它和硅是兄弟关系，它就是我们初中学过的炭！

请大家写出碳和硅的原子结构示意图，并说明它们的异同。

学生活动后回答：碳和硅的原子序数不同，电子层数不同，但最外层电子数相同。

师：说出它们在周期表中的位置。

生：碳位于第二周期第ⅣA族，硅位于第三周期第ⅣA族。

师：也即它们在元素周期表中的关系是不同周期、同主族。

问：那么，与碳、硅同主族的四、五、六周期的元素的原子序数分别是多少呢？请大家根据各周期元素的种类数进行推断。

学生推测后回答：它们的原子序数分别是：325082。

师：很正确。查一下元素周期表，默写它们的元素符号，并叫出它们的名称。

生：它们分别是锗、锡、铅。

问：把它们编制在同一主族的依据是什么？

生：因为它们的最外层电子数都是4。

师：很好。由于硅、锗、锡、铅都位于周期表的第ⅣA族，且它们都和碳一样，最外层有4个电子。因此，我们把它们统称为碳族元素。

板书：第一节　碳族元素（第一课时）

一、碳族元素

碳　硅　锗　锡　铅

C　Si　Ge　Sn　Pb

过渡：本节课我们先来认识一下碳族元素，然后在此基础上学习硅及其化合物的知识。

问：大家能否根据碳族元素的汉字名称推测出它们哪些是金属，哪些是非金属呢？

生：碳、硅为非金属，锗、锡、铅为金属。

师：（展示罐头瓶盖）

大家看，该瓶盖的里面是铁，外面所镀的这一薄层金属，就是锡。它起保护内层金属的作用，因为它在常温下不与空气中的氧气作用。

第ⅣA族元素中，碳是典型的非金属硅虽外貌像金属，但在化学反应中多显示非金属性，通常被认为是非金属锗的金属性比非金属性强锡和铅都是金属。这说明大家的推测是正确的。由于硅和锗在元素周期表中位于金属和非金属分界线附近，所以常用来做半导体材料。

问：碳族元素的原子结构有什么异同？

生：原子序数和电子层数不同，最外层电子数相同。

板书：1.结构特点：原子序数和电子层数不同　最外层电子数相同

师：碳族元素结构上的这种异同，也导致了它们性质的异同。

请大家根据所学元素周期律的知识，填写下表。

投影展示：碳族元素性质的递变规律

上表可由学生回答，教师填写完成。

师：注意，碳族元素的氢化物的写法是碳族元素在前，氢元素在后。

答案：

师：从上表可以看出，碳族元素随着核电荷数的递增，其性质呈现规律性的变化。

板书：2.性质递变规律

师：它们在周期表中从上到下，元素的原子半径逐渐增大，失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱，非金属性向金属性递变的趋势很明显。

但由于碳族元素处于容易失去电子的碱金属与容易得到电子的卤素的中间位置，这决定了它们得失电子的能力都较弱，一般容易形成共价化合物。

板书：（1）非金属性向金属性递变的趋势明显，易形成共价化合物。

师：碳族元素的化合价除了＋4价外，还有＋2价。其中，碳、硅、锗、锡的＋4价化合物是稳定的，而铅的＋2价化合物是稳定的。因此，＋4价的铅（如PbO2）在参加化学反应时，往往会得电子而被还原成＋2价的化合物，它本身是强氧化剂。

板书：（2）主要化合价＋4、＋2Pb的＋2价稳定

投影例题：1.如果发现114号新元素（位于第七周期ⅣA族），下列有关X可能具有的性质合理的是（　　）

A.X是非金属元素

B.X的＋2价化合物比＋4价化合物稳定

C.XO2具有强氧化性

D.X有稳定的氢化物

解析：根据碳族元素性质递变规律，可推知114号元素的金属性比铅还强，一定是金属元素。它的稳定价态应与铅相同，即为＋2价，所以XO比XO2稳定。＋4价的X易得电子变成＋2价，所以XO2具有强氧化性。X是金属元素，不可能存在稳定的气态氢化物。

答案：BC

2.课本上说“……碳、硅、锗、锡的＋4价化合物是稳定的，而铅的＋2价化合物是稳定的。”

（1）根据上一句话判断：锡的＋2价化合物（如SnCl2）应具有较强的_________性，铅的＋4价化合物应具有较强的_________性。

（2）Fe3O4可以写成FeO·Fe2O3的形式，根据化合价规律和这种书写方法，若将Pb3O4用上述形式表示，其化学式可写为_______________。

（3）PbO2与浓盐酸可发生氧化还原反应生成Cl2，该反应的化学方程式为_______________。

解析：（1）关键要理解锡的＋4价化合物是稳定的，因而＋2价化合价不稳定，容易转变为＋4价化合物，而显示较强的还原性同理，铅的＋4价化合物具有较强的氧化性。

（2）铅的两种常见化合价中，＋2价稳定，＋4价不稳定，易得电子被还原。题中信息表明，Fe3O4中有＋2、＋3两种价态的铁元素。思维迁移到Pb3O4中铅的化合价＋2价和＋4价。仿照上述形式的写法，将Pb3O4写成2PbO·PbO2，此化合物中正负化合价的代数和为零。

（3）PbO2与浓盐酸反应，已知浓盐酸的氧化产物是Cl2，则PbO2的还原产物必然是＋2价的化合物，这里应是PbCl2，另有H2O生成。（注：此处也可将MnO2与浓盐酸的反应迁移，即可写出PbO2与浓盐酸反应的化学方程式）

答案：（1）还原、氧化（2）2PbO·PbO2（3）PbO2＋4HCl　PbCl2＋Cl2↑＋2H2O

师：下面，我们可通过下表来认识一下碳族元素单质的物理性质。

板书：3.单质的物理性质

投影展示：碳族元素及其单质的一些重要性质

师：从上表可看出，实验测出的碳族元素原子半径的递变规律与我们根据原子核外电子排布预测的是一致的。碳族元素单质的密度是从碳到铅逐渐增大，熔、沸点逐渐降低，锡的熔、沸点较特殊，这与其成键情况及空间结构有关系。

问：碳元素形成的单质，在表上列出了金刚石和石墨两种，它们与碳元素的关系是什么？

生：它们都是碳元素的同素异形体。

师：对。不过，碳元素的同素异形体不止两种，还有C60、C70等等。

请同学们阅读课本P148“C60及其应用前景”

学生阅读

板书：4.C60简介

师：从阅读材料里我们可以看出，碳元素除了金刚石和石墨外，还有多种同素异形体，在已发现的碳族成员如C50、C60、C70、C84……中C60是最稳定的。

C60可以形成各种化合物，可用作高温润滑剂、耐热和防火材料等。目前，将C60应用于超导体、材料科学等领域的探索正在不断地深入。

C60分子的结构是足球状的，是由20个正六边形和12个正五边形呈一定弧度一个接一个地排列成的一个球体分子。它的结构是由英国科学家克罗托教授最先设想出来的。

在他为了这个大大的“碳分子”的结构而冥思苦想、食不知味、睡不入眠的时候，是著名建筑学家布克曼斯特·富勒设计的一个球形模型给了他灵感。所以，他又把自己设计的这种新的碳分子的结构，称为“富勒笼球”。

C60及一系列碳族分子的发现，是化学发展史上一件具有划时代意义的大事。

为了表彰这一重大科学成就，1996年的诺贝尔化学奖授给了克罗托和另外两位对C60的发现作出贡献的科学家——美国赖斯大学的化学教授柯尔和斯莫利。

投影练习

1.下列气态氢化物中最不稳定的是（　　）

A.CH4　　　B.NH3

C.SiH4　　　D.H2S

答案：C

2.下列关于碳族元素的叙述正确的是（　　）

A.单质都是无色晶体

B.随着原子序数的增加，单质的熔点逐渐升高

C.由碳到铅，ⅣA族元素最高氧化物对应的水化物酸性逐渐增强

D.除铅以外其他元素的＋4价化合物是稳定的

答案：D

3.近年来，科学家发现一种新分子，它具有空心的类似足球状结构，化学式为C60，下列说法正确的是

A.C60是一种新型化合物

B.C60和石墨都是碳的同素异形体

C.C60在纯氧中充分燃烧只生成惟一产物CO2

D.C60的摩尔质量为720

答案：BC

小结：本节课我们学习了碳族元素的结构特点及随着原子序数的递增，其性质递变的规律，同时还认识了碳元素的另一种同素异形体——C60。

布置作业：1.复习初中所学碳及其化合物的知识。

2.预习硅及其化合物的知识。

3.课本习题一中1、2。

参考练习

1.某ⅣA族元素的气态氢化物含氢12.5%，该元素的相对原子质量是（　　）

A.12　B.14　C.28　D.72.6

答案：C

2.下列说法中不正确的是（　　）

A.硅和锗都是重要的半导体材料

B.硅酸的酸性比碳酸还要弱

C.SiH4的稳定性比pH3的差

D.CH4稳定性比NH3强

答案：D

3.某些保健品中含有的锗（Ge）元素，位于周期表中的第四周期第ⅣA族。有关锗的叙述正确的是（　　）

A.锗的原子序数为34

B.锗的金属性比锡强

C.Ge可形成Na2GeO3的盐

D.单质锗是半导体材料

答案：CD

板书设计：第七章　硅和硅酸盐工业

　　　　　第一节　碳族元素（第一课时）

一、碳族元素

碳硅锗锡铅

CSiGeSnPb

1.结构特点

原子序数和电子层数不同

最外层电子数相同

2.性质递变规律

（1）非金属性向金属性递变的趋势明显，易形成共价化合物

（2）主要化合价＋4、＋2，Pb的＋2价稳定

3.单质的物理性质

4.C60简介

教学说明

本课时是学生学完元素周期表后，继氧族之后的又一族元素，其重点是要在深刻理解和熟练运用元素周期表的基础上去学习碳族元素性质的递变规律，也即强调了学生在学习过程中的活学活用。

因此，怎样调动学生学习的积极性，让学生积极主动地参予到教学过程中来，是本节课教法上要解决的问题。在这里，我用了实物展示，引导学生预测、讲解、复习、练习等方法来达到这一目的，并向学生介绍C60的结构及有关情况，以扩大学生的视野。(www.xing528.com)

第二课时

引言：上节课我们系统地介绍了碳族元素的结构特点及性质递变规律，本节课我们重点来学习碳族元素中的硅及其化合物的有关知识。

板书：第一节　碳族元素（第二课时）

二、硅及其化合物

过渡：首先，我们来认识一下元素含量居于自然界第二的硅单质的性质。

板书：1.硅（Si）

师：请大家阅读课本P149的第一、二自然段，总结出硅的存在形态、结构特点、物质性质等方面的内容。

学生阅读

问：硅元素以什么形态存在于自然界？硅元素主要存在于什么物质里？

生：硅以化合态存在于自然界，硅元素主要存在于地壳的各种矿物和岩石里。

问：硅有几种同素异形体？分别是什么？

生：硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体。

问：为什么晶体硅的熔沸点高、硬度大？

生：因为它的结构类似于金刚石。

问：硅的导电性怎样？

生：介于金属与非金属之间，是半导体。

师：很好。以上内容我们可总结如下：

板书：以化合态存在于自然界，有两种同素异形体。

（1）物理性质：熔、沸点高，硬度大，半导体。

过渡：那么，硅单质的化学性质怎么样呢？

板书：（2）化学性质

师：请大家写出硅原子的结构简图，并与碳原子的结构示意图相比较。

板书：

师：请大家说出碳原子与硅原子结构的异同点。

生：它们的原子序数不同，电子层数不同，最外层电子数相同。

问：这说明碳单质和硅单质的化学性质是怎样一种关系？从结构说明。

生：元素的化学性质主要决定于其最外层电子数。它们的最外层电子数相同，化学性质应该相似它们的电子层数不同，说明它们在发生化学反应时的成键能力也不相同，而化学活动性有差异。

师：很正确。那么，根据初中所学知识回答，碳单质的化学性质怎样？

生：碳单质在常温下性质稳定，高温时可与氧气等活泼非金属反应。在化学反应中常做还原剂。

师：回答得很好。那么，硅的性质是否也如此呢？请大家阅读课本P149第四自然段进行总结。

学生阅读后回答：常温下，硅的化学性质不活泼，除氟气、氢氟酸和强碱外，硅不跟其他物质，如氧气、氯气、硝酸、硫酸等起反应。加热时，能跟一些非金属反应，如它也能和氧气反应生成二氧化硅。

师：对。我们可把上述硅单质的化学性质归纳如下：

讲解并板书：常温下性质稳定

师：除此以外，硅在高温时还可分别与碳及氮气反应生成熔沸点很高、硬度很大的金刚砂——碳化硅（SiC）及氮化硅（Si3N4）。

过渡：硅的这些性质决定了硅有什么样的用途呢？请大家阅读课本P149第五自然段回答。

板书：（3）硅的用途

学生阅读后回答：可以用来制集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池，还可以用来制造变压器铁芯，及耐酸设备等。

师：回答得很好。不过，大家需要知道的是，电子工业上所用的硅，都是纯度很高的硅，而由我们刚才所学知识知道，自然界没有单质硅存在。那么，我们怎样制取硅呢？请大家看课本后回答。

板书：（4）硅的制法

学生看书后回答：我们使用的硅，都是从硅的化合物中提取的。工业上用碳和二氧化硅在高温下反应制取硅。

板书：

师：注意！上述反应中的产物是一氧化碳，而不是二氧化碳。另外，通过上述反应所制得的硅只是粗硅，用做半导体材料时，还需将其提纯。

过渡：下面，我们来介绍一下硅的最高价氧化物——二氧化硅的性质。

板书：2.二氧化硅（SiO2）

问：二氧化硅与二氧化碳都是第ⅣA族元素形成的最高价氧化物，它们的性质是否相同呢？请大家回忆我们初中学过的二氧化碳的性质，并从物理性质和化学性质两方面回答。

生：二氧化碳的物理性质是：常温常压下是无色无味的气体，能溶于水，密度比空气大。化学性质是：本身不燃烧，一般情况下也不支持燃烧，能与水反应生成碳酸，能与碱反应，是酸性氧化物。

师：大家回答得很流利。请问，有没有固体的二氧化碳？

生：有！固体的二氧化碳叫干冰。

师：干冰可以用来人工降雨，为什么？

生：因为干冰有易升华的性质。

师：那么，二氧化硅有没有呢？请大家看课本有关内容，比较二氧化碳与二氧化硅的物理性质。

板书：（1）物理性质

学生看书后回答：二氧化硅与二氧化碳的物理性质差别很大，它是一种坚硬难熔的固体，不溶于水。

板书：坚硬难溶的固体，不溶于水。

过渡：二氧化硅的化学性质与二氧化碳相比，是不是也有这么大的差异呢？请大家阅读课本有关内容，并填写下表。

板书：（2）化学性质

投影展示：SiO2与CO2化学性质的比较

找一个同学把答案填写在胶片上，不足部分由教师和学生共同补充：

师：从上表可以看出，二氧化硅能与碱反应生成相应的盐和水，是一种酸性氧化物，它不能溶于水得到相应的酸——硅酸。

酸性氧化物一般不与酸发生化学反应，而二氧化硅却能与氢氟酸发生反应，这也是工业上用氢氟酸雕刻玻璃的反应原理。以上两点，属二氧化硅的特性。

由此，我们可总结出二氧化硅的主要化学性质为：

讲解并板书：不溶于水的酸性氧化物，能与氢氟酸反应

注：上表答案

问：已知玻璃中含有SiO2，回答为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？

生：因为SiO2是酸性氧化物，能和碱起反应，容易使瓶塞和瓶颈粘在一起而不能打开。

师：很正确。

过渡：二氧化硅广泛存在于自然界中，与其他矿物共同构成了岩石，天然二氧化硅也叫硅石。砂子的主要成分就是二氧化硅，石英的主要成分也是二氧化硅，水晶是纯度较高的二氧化硅。请大家看课本有关内容，了解它们的用途。并总结出来。

板书：（3）用途

学生看书后回答：二氧化硅可用来做光导纤维石英可用来做石英钟、石英表，耐高温的石英玻璃水晶可以用来制造电子工业中的重要部件、光学仪器、工艺品、眼镜片等，含有有色杂质的石英，还可用于制造精密仪器轴承，耐磨器皿和装饰品等。

师：大家回答得很全面。

师：确实，二氧化硅在日常生活、生产和科研等方面有着重要的用途，但有时也会对人体造成危害，使人患硅肺病，请大家阅读课本P151“二氧化硅粉尘的危害”的内容。

学生阅读后

师：希望大家努力学习，并能在将来发明和创造一些新的技术，新的设备以控制空气中粉尘的含量，从而为人类的健康和生存环境做出贡献。

过渡：刚才我们提到二氧化硅不能溶于水得到相应的酸——硅酸。那么，硅酸是怎样的一种酸？它怎样制得呢？下面我们就来学习这个问题。

板书：3.硅酸（H2SiO3）

师：从上一节我们比较同主族元素的性质知道，硅酸是一种比碳酸还要弱的酸，它不溶于水，不能使指示剂变色，是一种白色粉末状的固体。

板书：不溶于水，酸性比碳酸弱。

师：硅酸可通过可溶性硅酸盐与酸反应得到，如：

讲解并板书：

讲解：生成的H4SiO4叫原硅酸，是一种白色胶状物质，不溶于水，在干燥的空气中易失水变成硅酸。

板书：

过渡：刚才我们提到的硅酸钠，是一种可溶性的硅酸盐，而其他硅酸盐多数是不溶于水的。硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，自然界中存在的各种天然硅酸盐矿物，约占地壳质量的5%。

板书：4.硅酸盐

师：请大家看以下实验

演示实验：取两根一样的干燥布条（其中一根在硅酸钠溶液中浸过）在火焰上燃烧。

问：两根布条燃烧的情况一样吗？现象有何不同？

生：不一样。一根很容易燃烧，一根不燃。

师：是什么原因造成了这样的差别呢？答案在这里！

板书：硅酸钠（Na2SiO3）

讲解：不燃的布条是由于我预先在硅酸钠溶液中浸泡并晒干的。这也是硅酸钠的用途之一。硅酸钠的水溶液俗名“水玻璃”，其用途很广，建筑工业及造纸工业用它做粘合剂。

木材或织物用水玻璃浸泡过后既防腐又不易着火。浸过水玻璃的鲜蛋可以长期保存。水玻璃还用作软水剂，洗涤剂和制肥皂的填料。它也是制硅胶和分子筛的原料。

硅酸盐的种类很多，结构也很复杂，通常可用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示其组成，如：

板书并讲解：

师：粘土的主要成分也是硅酸盐，是制造陶瓷器的主要原料。

投影练习

1.工业上制取单质硅是先在电炉里高温下用碳还原二氧化硅，制得粗硅，然后将粗硅在高温下跟氯气反应生成一种液态物质。经蒸馏提纯后，再用氢气还原得到纯硅。写出上述反应的化学方程式。

2.下列说法正确的是（　　）

A.硅的化学性质不活泼，在自然界中可以以游离态存在

B.二氧化硅通入水玻璃可以得到原硅酸

C.二氧化硅溶于水显酸性

D.二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸

答案：B

小结：本节课我们主要学习了硅及其化合物的有关知识，它们相互之间的关系，我们可用下图概括：

投影展示

布置作业

课本习题：一；二、3、4、5；三。

参考练习：1.怎样由二氧化硅制取硅酸？用有关反应的化学方程式表示之。

答案：

2.Al2O3·2SiO2·2H2O是（　　）

A.混合物　　　　　B.两种氧化物的水化物

C.硅酸盐　　　　　D.铝酸盐

答案：C

3.下列离子方程式中不正确的是（　　）

A.往氢氧化钠溶液中通入过量的二氧化碳

B.石英砂与烧碱反应制水玻璃

C.碘化钾溶液跟适量溴水反应

D.将金属钠投入水中H2↑

答案：D

板书设计：第一节　碳族元素（第二课时）

二、硅及其化合物

1.硅（Si）

以化合态存在于自然界有两种同素异形体。

（1）物理性质：熔沸点高，硬度大，半导体。

（2）化学性质

常温下性质稳定

Si＋O2　　SiO2

（3）硅的用途

（4）硅的制法

SiO2＋2C　　Si＋2CO↑（工业制法）

2.二氧化硅（SiO2）

（1）物理性质：坚硬难溶的固体，不溶于水

（2）化学性质：不溶于水的酸性氧化物，能与氢氟酸反应

（3）用途

3.硅酸（H2SiO3）

不溶于水，酸性比碳酸弱

4.硅酸盐

硅酸钠（Na2SiO3）Na2O·SiO2　　Al2（Si2O5）（OH）4

Al2O3·2SiO2·2H2O

教学说明

本课时采用了学生自学、教师引导归纳，并同已学知识相比较的教学方法，目的是为了让学生更多地参予教学，并在学习的过程中培养学生对知识的归纳、总结和探究的能力。由于在初中已学过有关碳及其化合物的知识，采用对比的学习方法，可以使学生温故而知新。

学生在了解SiO2的用途时，教师同时引导他们了解SiO2粉尘的危害。这可以培养学生在以后的实践中能辩证地看问题。

本课时增加了一个有关水玻璃的实验。一是引起学生学习的兴趣再就是学生会印象深刻更重要的是消除学生对陈述性知识的乏味感，也希望能对后面硅酸盐工业的介绍，做一个很好的引子。

另外，如果授课时间允许，最好能专用一个课时来学习和整理碳及其化合物的有关知识，以使碳族元素的知识更加丰富和条理化。