PDF Печать E-mail
Интересное в преподавании кремния и его соединений в 9-ом классе

      Кремний был открыт впервые в 1811 году Гей-Люссаком и Тенаром. Он является наиболее распространенным в земной коре элементом. Массовая доля кремния составляет 27,6%. Входит  в состав растений и животных. Анализ образцов лунного грунта показал наличие SiO2 в количестве 40%. Содержание кремния в каменных метеоритах достигает 20%.

  Характеризуем положение элемента в периодической системе, строение его атома, указываем какими свойствами на основании этих данных должен обладать кремний как простое вещество и соединения кремния. Особенно следует отметить, что свободный кремний в еще большей степени, чем графит, должен обладать некоторыми металлическими свойствами.

      Показываем образец «металлического кремния», отмечаем, что кристаллическое строение кремния (тип решетки) такое же, как у алмаза, но в связи с тем, что атом кремния имеет больший радиус (больше электронных слоев), его кристаллическая решетка оказывается менее прочной.  Этим объясняется, почему кремний имеет меньшую плотность (2,33г/см3) , мягче (твердость 7) и более легкоплавок  ( плавится  при 1423°), чем алмаз. Важно показать электрическую проводимость кремния и подчеркнуть, что он относится к полупроводникам электрического тока. Это следует  понимать так: в кремнии, как в металлах, всегда имеются полусвободные (блуждающие) электроны, но количество их здесь, в отличии от металлов, невелико и сильно зависит от условий, особенно от температуры.[2,с78]

      Программа не предусматривает демонстраций или лабораторных опытов, знакомящих обучающихся с химическими свойствами свободного кремния. Об этих свойствах (горении кремния в кислороде и др.) учитель рассказывает более подробно после  того, как учащиеся сами укажут, какими свойствами должен обладать кремний, если судить по его положению в периодической системе и строению атома. В рассказе учителя обсуждаются высказанные предположения, что кремний, подобно углероду, может соединяться с кислородом, образуя соединение с электронной формулой : О:XX Si XX: O: и что для кремния известно соединение с водородом SiH4

Схема химических свойств  кремния :    с неметаллами

                                                                               ↑

                       с металлам   ← Si → со щелочами

                                                                                                                                     ↓  ↓

                                                      с галогенводородами с водой

Химические свойства:

                                            4Na + Si = Na2Si  (сплавление)

                                            2Mg + Si = Mg2Si(сплавление)

                                            Fe + 2Si = FeSi2     (сплавление)

                                            Si + 2F2 =SiF4

                                            Si + 2Cl2 = SiCl4 (340° C-420° C)

                                            Si +O2 =SiO2           (1200°C-1300°C)

 Cоединения кремния с водородом получают из соединений кремния с металлами. Они менее прочны, чем соответствующие углеводороды. Если в химическом кабинете есть силицид магния Mg2Si, то желательно показать учащимся его взаимодействие с соляной кислотой и образование при этом силана. В стакан с соляной кислотой опускают небольшое количество силицида магния, наблюдают  выделение газа, сгорающего на поверхности с легкими взрывами, с образованием искр (раскаленных частичек SiO2 ).[1,с180-181]

   Ученики записывают уравнения реакций:

                                     SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O

                                     Mg2Si + 4HCl = 2MgCl2 + SiH4

Оксид кремния (IV) обладает рядом  уникальных физических свойств.Температура плавления его составляет 1714°С. Это связано с тем, что SiO2   имеет полимерную кристаллическую структуру, которая состоит из кремнекислородных тетраэдров. Разнообразие структур, по-видимому,  бесконечно,например, известно 22 формы чистого SiO2. Cвязи Si-O очень прочные, за счет их дополнительной стабилизации донорно-акцепторным взаимодействием между атомами кислорода и кремния.

Песок применяется в стекольной промышленности, строительстве, изготовлении огнеупоров, генераторов ультразвука.

Схема кислородсодержащих соединений кремния:

                                               SiO         (SiO2)n      Na2O•CaO•6SiO2

                                                  ↑               ↑                 ↑

                           H2Si2O5    ←  Кислородсодержащие→ xЭ2O3•ySiO2•zH2O

                                                   соединения кремния

                                                     ↓                            ↓

                                                  H2SiO3                               H4SiO4

  Можно написать уравнение взаимодействия кремния с углеродом SiC-карбид кремния, он имеет такую же кристаллическую решетку, как алмаз и кремний, поэтому твердость карбида кремния близка к твердости алмаза. Кремний применяется для изготовления кремнистых сталей, как полупроводник. Ученикам предлагается по диаграмме распространения элементов в природе охарактеризовать распространенность кремния.

  Обязательно нужно отметить, что в свободном состоянии кремний в природе не встречается, указывают, в состав каких распространенных минералов и горных пород входит кремний. Знакомятся с образцами кварца, полевого шпата, слюды, гранита, песком, глиной.

Рекомендую следующую схему:

Кремний

Оксид кремния  ← Кислородные соединения кремния→Кремниевые кислоты

Силикаты

  Стабильность кремнийорганических соединений заметно увеличивается при переходе от силанов к силоксанам. В основе их молекул —цепочки, в которых чередуются атомы кремния и кислорода. Силоксановые полимеры имеют широкое применение: от медицинских имплантантов до смазочных материалов.   Для синтеза силоксанов используют дизамещённые хлорсиланы (CH3)2SiCl2. Они реагируют с водой, образуя дизамещённые дисиланолы (CH3)2Si(OH)2, которые легко теряют молекулы воды, а в результате всех этих процессов возникают полимерные силоксаны. Изменяя условия полимеризации, можно получить молекулы разной длины, которые будут обладать различными физическими свойствами. Так, полимеры с короткими цепочками — жидкости. Высокомолекулярые силоксаны — отличные смазки, сохраняющие полезные свойства в очень широком интервале температур — от -100 до 300 °С. Это позволяет использовать силоксановые смазки даже в условиях антарктической зимы при -70 °С, когда углеводородные смазки затвердевают. Более длинные силоксановые молекулы образуют каучуки, которые в отличие от обычной резины сохраняют эластичность при температуре почти до —90 °С и более устойчивы к агрессивным реагентам.

   Благодаря высокой инертности и стойкости к истиранию они применяются в медицинской технике, например в аппаратах искусственного сердца и искусственной почки. А в качестве подошвы для обуви силоксановые каучуки не имеют конкурентов по износостойкости. Силоксановые полимеры используются в медицине и для создания разнообразных имплантантов мягких тканей. Они химически инертны и не отторгаются организмом. Силоксановые имплантанты часто не совсем корректно называют силиконовыми.

   Силоксаны обладают ещё одним замечательным качеством — они не смачиваются водой. Это свойство нашло самое широкое практическое применение. Вот лишь несколько примеров. Взлётно-посадочной полосе с силоксановым покрытием не страшно обледенение, вода, не задерживаясь, скатывается с неё. Корабль, корпус которого окрашен силоксановыми красками, сможет развить большую скорость. Заодно уменьшится и обрастание кор¬пуса ракушками — ведь за скользкое днище моллюскам труднее уцепиться. Для уменьшения смачиваемости поверхность взлётно-посадочной полосы обрабатывают силоксаном.

Закрепление на уроке:

                                    Si→SiO2→Na2SiO3→H2SiO3→SiO2

Литература:

1Габриелян О. С. Учебник “Химия-9”. – М.: Дрофа, 2012г., 267с.

2.Лебедев О.Е. Компетентностный подход в образовании.//Школьные технологии. – 2004г. – № 5. 15-18с.

3. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. “Химия-9” – М.: “Просвещение”, 2008г., 235с.

4.Ходаков Ю.В. Неорганическая химия. – М.: “Просвещение”, 1972г., 213с.

5.Хуторской А.В. Ключевые компетенции и образовательные стандарты // Интернет-журнал "Эйдос" – 2011 – 23апреля. http://www.eidos.ru/journal/2002/0423.htm.

Т. Г. Селиверстова, область МОУ СОШ № 106, г. Волгоград