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初中化学第八单元 金属和金属材料课题 1 金属材料教案设计
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这是一份初中化学第八单元 金属和金属材料课题 1 金属材料教案设计，共20页。教案主要包含了学生发表感想，解释原因，思考讨论，探究内容，实验步骤，学生活动，教师总结并板书，教师提问等内容，欢迎下载使用。
导入一:
【展示】 金属制品(如铝箔、水龙头等)和金属制品的图片(如别针、自行车、铜丝等).
【介绍】 以上这些实物或图片中的物质都是由金属材料制成的.金属材料包括纯金属以及它们的合金.
【设问】 看到这些实物或图片,你想到了什么?
【学生发表感想】
1.想到金属与人类的生活、生产关系密切.
2.感觉到金属在各个领域都有广泛的用途.
3.想知道它们是由什么金属制成的.
4.想知道制造不同的金属制品根据什么选用金属.
导入二:
【展示】 资料一:1912年,英国斯科特探险队的船只,在去南极的途中,因天气十分寒冷,可是用于取暖的煤油却漏光了,以致探险队员全部冻死在南极冰原.原来装煤油的铁桶是用锡焊接的,而锡却莫名其妙地化为乌有了.
资料二:1867年冬天,俄国彼得堡海军仓库的大批锡砖,一夜之间不翼而飞,留下了泥土一样的灰色粉末.你能猜出产生事故的原因吗?
【解释原因】 锡在温度低于-18℃时,体积就会骤然膨胀,原子间空隙加大.如果温度下降到-33℃,这种变化就会像传染病一样迅速蔓延,使整块的锡很快变成粉末,这种现象人们称为“锡疫”.
导入三:
【展示】
“辽宁号”航空母舰,是中国人民解放军海军第一艘可以搭载固定翼飞机歼15飞机的航母,制造航空母舰和歼15飞机使用大量合金材料(如铁合金、铜合金和钛合金等).你了解这些金属的知识吗?
一、几种重要的金属
思路一
[过渡语] (针对导入一)日常生活用品如自行车、锤子、刀和水龙头等大多数是金属材料制成的.金属的种类有很多,而我们最常见的金属是铁、铝和铜.铜和铁是人类使用较早的金属,我国劳动人民在商代就制造出精美的青铜器,春秋战国时期就会冶铁和炼钢.我们一起看下金属在生活中的应用吧.
【展示】
【思考讨论】 人类在使用铁、铝和铜金属材料的过程中,有什么时代的特点?
【交流】 铝的利用要比铜和铁晚得多,那仅仅是100多年前的事情.但由于铝的密度小和具有抗腐蚀等优良性能,现在世界上铝的年产量已超过了铜,位于铁之后,居第二位.
[过渡语] 金属材料和非金属材料在物理性质上有哪些差异?下面通过实验来探究金属的一些物理性质.
【展示】 活动与探究——金属的物理性质.
【探究内容】 请学生取三块同样大小的铜片、铝片和铁片,进行探究.小组确定研究方案,从光泽、硬度、导电性、导热性、延展性、熔点等多方面进行比较.
【实验步骤】
1.观察它们的颜色和光泽.然后用细砂纸打磨,再观察它们的颜色和光泽.
2.感觉一下它们的质量大小,由此判断它们的密度大小.
3.试试它们是否容易弯曲、折断,并感觉一下它们的硬度.
4.用手拿着金属片的一端,在酒精灯上方烘烤它的另一端(注意:时间不要长,防止烫伤),试试它能不能传热.
【学生活动】 学生动手实验,教师巡视.
【思考讨论】
1.常温下,是不是所有的金属都是固体?
2.金属用砂纸打磨前后,其颜色和光泽是否相同?这说明了什么?
3.金属有哪些共同的物理性质?金属的这些物理性质完全相同吗?请举例说明.
【交流】 大多数金属常温下为固态(除汞外),有颜色和光泽,有良好的导电性、导热性和延展性,熔点较高,密度、硬度因金属的不同而不同.
【教师总结并板书】
1.金属的共同物理性质:有光泽、能导电、能导热、能弯曲、有延展性.
2.金属的特性:大部分金属呈银白色,而铜呈紫红色、金呈黄色.大部分金属是固体,而汞是液体.金属的导电性、导热性、密度、熔点、硬度等差异较大.
[设计意图] 培养学生自主学习的能力、动手能力和创新能力.
【设问】 物质的性质和用途之间又有什么关系呢?
【回答】 物质的性质决定物质的用途.
[过渡语] 金属的物理性质千差万别,下面是一些常见金属物理性质的比较.通过下表的比较,希望同学们能够发现金属的性质和金属的用途之间的关系.
【展示】 一些金属物理性质的比较:
【教师提问】 请大家根据你的生活经验和教材5页表8—1所提供的信息,分组讨论以下问题.
1.为什么菜刀、镰刀、锤子等用铁制而不用铝制?
2.银的导电性比铜好,为什么电线一般用铜制而不用银制?
3.为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制?如果用锡制的话,可能会出现什么情况?
4.为什么有的铁制品如水龙头等要镀铬?如果镀金怎么样?
【学生活动】 学生分组讨论后,由小组代表到前面陈述讨论结果,其他小组可宣布自己的不同答案.
【展示和交流】
1.因为铁的硬度比铝大.
2.银在自然界中的储量少,价格昂贵,故一般不用银而用铜制电线.
3.因为钨的熔点是3410℃,而锡在不到300℃时就会熔化,而且钨的电阻率大,发光能力强,能使灯泡更亮.如果用锡制灯丝,则灯丝易断.
4.铬是硬度最大的金属,镀在铁制品表面既美观,又能延长铁制品的使用寿命.如果镀金则会增加成本,且不耐用,长时间使用后金磨损脱落,则铁又会生锈而缩短水龙头的使用寿命.
【思考讨论】 根据以上讨论结果并结合实际思考物质的性质是否是决定其用途的唯一因素?如若不是,你认为还需考虑哪些因素?
【学生活动】 小组讨论,并交流讨论结果.
【教师总结并板书】 物质的用途主要由物质的性质决定,还需考虑价格、资源、是否美观、使用是否便利,以及废料是否容易回收利用和对环境的影响等.
[设计意图] 让学生通过讨论、比较,归纳出物质的用途与哪些因素有关.体现知识的应用性,联系社会,联系生活,增强学生用化学知识服务生活的意识.
【教师】 我们知道,在一切比赛中,当冠军的感觉都是最好的.那么,哪些金属能获得如此殊荣呢?请大家看资料.
【展示】 金属之最:
地壳中含量最高的金属元素——铝
人体中含量最高的金属元素——钙
目前世界年产量最高的金属——铁
导电、导热性最好的金属——银
硬度最高的金属——铬
熔点最高的金属——钨
熔点最低的金属——汞
密度最大的金属——锇
密度最小的金属——锂
你能很快记住它们吗?
【学生活动】 学生记忆金属之最.
【比一比,赛一赛】 以小组为单位,分小组互相提问金属之最.比一比,赛一赛,看谁是冠军.
[设计意图] 增强化学课堂的趣味性、知识性.
【小结】 通过本节课我们知道,金属的物理性质主要包括颜色、光泽、熔点、沸点、硬度、密度、延展性、导电性、导热性等;金属的物理性质可决定金属的一些用途,但这不是唯一的决定因素,即同时还要考虑经济、环境、资源、美观等方面的问题.这也启示我们在看待任何问题时,都不应是孤立的、片面的,而是要从大局出发,权衡利弊,然后再做决定.
思路二
[过渡语] (针对导入三)航空母舰和歼15飞机使用了大量合金材料,如铁合金、铜合金和钛合金等.在日常生活中同样离不开金属材料,根据你的生活经验,我们日常生活中最常见的金属材料制品又有哪些呢?
【展示】
【教师】 引导学生通过观察图片、阅读课文等了解人类发现金属、认识金属、使用金属的历史,利用学生的生活背景,让学生说出日常生活中接触到的金属制品.
【学生活动】 在教师指导下学生观察图片、有目的地查阅资料,展示收集到的金属制品,如:铜钱、硬币、纪念章等.
【交流】
1.铜和铁是人类使用较早的金属,我国劳动人民在商代就制造出精美的青铜器,春秋战国时期就会冶铁和炼钢.
2.铝的利用要比铜和铁晚得多,仅仅是100多年前的事情.但由于铝的密度小和具有抗腐蚀等优良性能,现在世界上铝的年产量已超过了铜,位于铁之后,居第二位.
[设计意图] 设置背景,让学生从生活走进化学,突出化学与社会的密切联系.
[过渡语] 不同的金属的物理性质是不是有一些共同的特性?我们通过实验来验证一下吧.
【学生活动】 分组实验,实验过程中指导学生观察实验现象:分别取铁丝、铜丝、铝丝.①观察它们的颜色、状态;②用力试试是否可以弯曲、折断;③用小刀割一下;④用铁锤锤一下;⑤用酒精灯加热;⑥用电池、小灯泡测试它们的导电性.
[设计意图] 培养学生实验、观察、归纳总结和语言表达的能力,实事求是的科学态度,激发学生的学习兴趣,领悟科学探究的方法,从中获得成功的喜悦.通过合作学习的方式,培养学生的合作意识和与人交流的方法.
【教师】 指导学生阅读课文,了解金属共同的物理性质和部分重要金属的特性.
【学生活动】 阅读教材第2~3页.讨论,总结出金属的物理性质.
【教师总结并板书】
1.金属的共同物理性质:有光泽、能导电、能导热、能弯曲、有延展性.
2.金属的特性:大部分金属呈银白色,而铜呈紫红色、金呈黄色.大部分金属是固体,而汞是液体.金属的导电性、导热性、密度、熔点、硬度等差异较大.
【交流】 让每组的学生代表说出实验和讨论的结果,其他同学补充.
[设计意图] 培养学生的自学能力、阅读能力和归纳能力.
【展示】 讨论题:
1.为什么菜刀、镰刀、锤子等用铁制而不用铝制?
2.银的导电性比铜好,为什么电线一般用铜制而不用银制?
3.为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制?如果用锡制会出现什么情况?
4.为什么有的铁制品如水龙头等要镀铬?如果镀金怎么样?
【学生活动】 学生分组讨论,然后代表陈述讨论、交流结果,其他同学作补充.
[设计意图] 通过讨论,让学生明白物质的用途与其性质有密切的联系,得出“物质的用途是由其性质决定的”这一重要结论.
【提问】 结合你在生活中看到的其他现象回答:物质的性质是否是决定物质用途的唯一因素?
【教师总结】 物质的性质决定物质的用途,但这不是唯一的决定因素,在考虑物质的用途时,还需要考虑价格、资源、是否美观、使用是否便利,以及废料是否易于回收和对环境的影响等多种因素.
[设计意图] 培养学生理论联系实际的求实态度.
二、合金
思路一
[过渡语] 我们生活中常见的金属材料都是纯金属吗?目前已制得的纯金属只有90余种.由于科学技术的日新月异,仅有的这些纯金属已经远远不能满足工农业生产和国防技术现代化的需求.因此合金材料应运而生.纯净的铁由于硬度较小而较少使用,我们在日常生活中接触到的钢铁多数是铁碳合金.
【板书】 常见合金——生铁和钢.
【思考讨论】 生活中常用的铁制品有哪些?钢和生铁的性能有什么区别?
【交流】 铁钉、铁锅、铁锨.钢的性能比生铁好.
【阅读】 见教材第4页关于合金的第一段,填写下表.
生铁与钢的比较
【归纳】 合金是指在金属中加热熔合某些金属或非金属而制得的具有金属特征的物质.
[过渡语] 我们在生活中见到的金属制品除了铁的合金,还有哪些合金呢?
【交流】 不锈钢、铝合金等.
[设计意图] 体现知识的应用性,联系社会,联系生活.培养学生用化学知识服务生活的意识.在应用中更深刻地领会知识.
【展示】 讨论:建筑物的防盗门及防盗网为什么常用不锈钢制造呢?
【实验】 教材5页实验8-1,划痕法比较黄铜和铜、硬铝和铝的硬度.按照图示分别实验.
【交流】 观察和填写实验现象.
【展示】 讨论:你知道合金材料有哪些优良的物理性能吗?
【学生分析与小结】 合金的很多性能与组成它们的纯金属不同,使合金更适合于不同的用途.比如硬度更大、熔点更低、加工更方便,并且改变了颜色、密度、韧性、耐磨性、导热性、导电性以及延性、展性等等.
【板书】 常见合金的主要成分、性能和用途.
【讨论】 分组讨论下表,合金和纯金属在性能上有什么不同?
【启示】 焊锡主要用于焊接金属等;武德合金(组成金属的质量分数分别为:铋50%、铅25%、锡13%和镉12%)可用于制电路保险丝等.合金的性能与组成它们的纯金属不同,比如合金的熔点一般小于组成它的纯金属;通过改变组成和含量,可以使合金具有许多良好的物理、化学和机械加工性能,适合于不同的用途等等.
[设计意图] 通过对实验现象的分析,培养学生的比较、分析和归纳能力.
【展示】 学生观看幻灯片上的图片并聆听老师讲解.
【学生展示】 课前查阅有关“未来金属——钛和钛合金”的资料(钛合金的广泛应用、优良性能、发展前景……).钛和钛合金被认为是21世纪的重要金属材料,钛合金与人体有很好的“相容性”,因此可用来制造人造骨等.
思路二
[知识拓展] 生铁与钢的比较:
一般地说,含碳量在2%~4.3%的铁的合金叫做生铁.生铁里除含碳外,还含有硅、锰以及少量的硫、磷等,它可铸不可锻.根据碳的存在形式可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等几种.
一般地说,含碳量在0.03%~2%的铁的合金叫做钢.钢坚硬有韧性、弹性,可以锻打、压延,也可以铸造.钢的分类方法很多,如果按化学成分分类,钢可以分为碳素钢和合金钢两大类.碳素钢就是普通的钢.合金钢也叫特种钢,是在碳素钢中适当地加入一种或几种如锰、铬、镍、钨、铜等合金元素而制成的.合金元素使合金钢具有各种不同的特殊性能.
金金属有共同的物理性质金属光泽大多为电和热的良导体有延展性有不同的物理性质合金特点①一定是混合物②合金中各成分都是以单质形式存在的③合金中至少有一种金属金属制成合金后性能会发生改变物质的性质决定物质的用途,但不是唯一决定因素
1.(中考改编)下列材料属于合金的是( )
A.玻璃B.活性炭
C.生铁D.陶瓷
解析:玻璃属于无机非金属材料;活性炭属于非金属;生铁是铁的合金;陶瓷属于无机非金属材料.故选C.
2.下列图示材料属于合金的是( )
解析:纯硅是纯净物,故A不是合金;青铜是铜锡合金;青花瓷器是用无机非金属材料制成的,C不是合金;汉白玉的主要成分是碳酸钙,是用无机非金属材料制成的,D也不是合金.故选B.
3.你认为在下表中最适合用于制造门窗的金属或合金是( )
解析:A的导电性好,更适合制作导线.B的硬度较大,密度适中,适合制作门窗.D的密度较大,制作门窗会较重.C的硬度太小,不适合制作门窗.故选B.
4.人们常说的“五金”是指“金、银、铜、铁、锡”,根据所学知识判断,不能与盐酸反应的金属是 (填名称).世界上常用黄金作金融储备、货币等,其原因是 .黄铜是铜锌合金,其硬度比纯铜 (填“大”“小”或“相同”).
解析:考查金属的性质和用途.故答案为:
金、银、铜;金的储量小、性质稳定、价格高;大.
课题1 金属材料
一、几种重要的金属
1.金属的物理性质
共性:有光泽、能导电、能导热、能弯曲、有延展性.
特性:大部分金属呈银白色,而铜呈紫红色、金呈黄色.大部分金属是固体,而汞是液体.金属的导电性、导热性、密度、熔点、硬度等差异较大.
2.金属的物理性质与用途
性质决定用途.
二、合金
常见合金──生铁和钢.
常见合金的主要成分、性能和用途.
一、教材作业
【必做题】
教材第8页练习与应用的3、4、6题.
【选做题】
教材第8页练习与应用的1、2、5题.
二、课后作业
【基础巩固】
1.(中考)下列物质中,不属于合金的是( )
A.不锈钢B.氧化汞
C.黄铜D.生铁
2.下列生活用品用金属材料制作而成的是( )
3.下列说法正确的是( )
A.铝是人类最早利用的金属
B.铜是目前世界年产量最高的金属
C.大多数金属元素在自然界中以单质形式存在
D.日常使用的金属材料大多数是合金
4.(中考)夏天防雷电,远离金属.这是因为金属具有( )
A.导电性B.导热性
C.延展性D.光泽
5.下列关于合金的说法正确的是( )
A.合金不属于金属材料
B.合金的硬度一般比各成分金属硬度大
C.合金属于金属单质
D.多数合金的熔点高于组成它的成分金属
6.金属材料的性质在很大程度上决定了它们的用途.下列说法中不正确的是( )
A.不锈钢抗腐蚀性好,常用于制造医疗器械
B.铁具有良好的导热性,可以用于制造炊具
C.铝合金轻而坚韧,可作汽车、飞机和火箭的材料
D.铅锑合金的熔点较低、电阻率较大,常用于制成发热体
【能力提升】
7.(中考节选)金属及合金是重要的工业及建筑材料,某些金属离子是人体不可或缺的元素.下表是A、B、C三种金属的部分物理性质.
(1)三种金属中最不适宜作导线的是 (填字母),高压输电线不用金属A而选用金属B,主要原因是 .
(2)C的合金通常可以做菜刀、锤子等,其合金的硬度 5(填“>”“<”或“=”).
【拓展探究】
8.将炉甘石(ZnCO3)、赤铜(Cu2O)和木炭粉混合后加热到约800℃,得到一种锌和铜的合金——黄铜,外观似黄金但质地坚硬.(提示:ZnCO3ZnO+CO2↑)
(1)黄铜是金属材料吗? (填“是”或“不是”).
(2)写出其中赤铜和木炭粉反应的化学方程式: .
【答案与解析】
1.B(解析:不锈钢属于铁的合金;氧化汞是金属氧化物;黄铜是铜的合金;生铁是铁的合金.故选B.)
2.B(解析:不锈钢是一种常见金属材料,是铁的合金.)
3.D(解析:A项,人类使用金属的先后顺序是铜、铁、铝;B项,目前世界年产量最高的金属是铁;C项,只有少量金属如金、银在自然界中以单质形式存在,大多数金属以化合物形式存在;D项,由于合金有着比金属更优异的性能,日常使用的金属材料大多数是合金.)
4.A
5.B(解析:A项,金属材料包括纯金属和合金;B项,合金的硬度一般比各成分金属硬度大,例如黄铜的硬度大于它的成分金属铜和锌;C项,合金是金属和金属或者金属和非金属加热熔合而成的有金属特性的物质,是混合物;D项,多数合金的熔点低于组成它的成分金属,例如焊锡的熔点低于它的成分金属铅和锡.)
6.D(解析:D项铅锑合金熔点低,不适宜制成发热体.)
7.(1)C;高压输电线一般需横截面积较大的导线,且架设较高(现在也有部分走地下),故用导电性较好、密度较小的金属B而不用金属A (2)>(解析:(1)金属C的导电性最差,最不适宜作导线;高压输电线不用金属A而选用金属B,主要原因是金属B的密度小;(2)金属制成合金后,硬度会增大,故其合金的硬度>5.)
8.(1)是 (2)2Cu2O+C4Cu+CO2↑(解析:(1)黄铜是铜和锌的合金,是金属材料.(2)木炭在高温下有还原性,可以夺取金属氧化物中的氧使其还原为金属.)
以学生自主探究解决金属材料的课题为中心,引导学生从故事化的教学情境入手,由学生提出探究目的和方案,并用交流、实验、设计、辩论等方式,得出如何区分常见的金属和非金属以及金属物理性质与用途的关系,由学生熟悉的几种金属材料的应用,自然过渡到探究合金的相关知识,教学环节既生动真实又可行,符合学生的认知规律和探究性学习要求.学生的自主活动充分,参与面广、参与程度深;教师在多样化的教学方式下,于潜移默化中引领学生转变学习方式;多次、适时应用STS渗透教育,使学生体验到学习化学的价值和乐趣.
改进建议:
1.课前可以由学生收集一些常见的金属材料,由实物或事实入手,使学生认识金属材料与日常生活以及社会发展的关系,并进而引入对金属的物理性质的教学.
2.认真做好教材5页实验8-1,使学生认识物质组成的改变是其性能发生改变的重要依据,也是为什么目前纯金属只有90余种,但由这些纯金属按一定组成和质量比制得的合金已达几千种的原因.
练习与应用(教材第8页)
1.(1)①②④ (2)延展 (3)导电
2.(1)不正确.(解析:地壳中含量最高的金属元素是铝.) (2)不正确.(解析:钢是铁的合金.) (3)正确.
3.1元硬币是钢芯镀镍合金制造的;5角硬币是钢芯镀铜合金制造的;1角硬币是不锈钢制造的.这些合金有色泽好、抗腐蚀、硬度大等性质.
4.(1)外科手术刀:不锈钢,因为其抗腐蚀性好. (2)防盗门:锰钢,因为其硬度大. (3)门锁:黄铜,因为其强度高、可塑性好、易加工、耐腐蚀. (4)自行车支架:锰钢,因为其韧性好、硬度大.(解析:利用合金优良的性能,答案合理即可.)
5.该金属可能的用途有:制作机器零件、火箭、飞机、轮船、电线、电缆、化工和通讯设备等.(解析:物质的性质决定其用途.)
6.解:0.013g二氧化碳中碳元素的质量为0.013g×1244×100%≈0.0035g,所以此钢样中碳的质量分数为×100%≈0.32%.
1.秦铜之冠——秦陵铜车马
秦陵铜车马出土于秦始皇陵西侧20米处,1980年局部试掘铜车马坑时,在一木椁内出土一前一后纵置的两辆大型铜车马,出土时已残破,经修复后恢复原状.
铜车马主体为青铜所铸,一些零部件为金银饰品.各个部件分别铸造,然后用嵌铸、焊接、黏接、铆接、子母扣、纽环扣接、销钉连接等多种机械连接工艺,将众多的部件组装为一体.通体彩绘,马为白色,彩绘时所用颜料均为用胶调和的矿物颜料,利用胶的浓度塑造出立体线条.车、马和俑的大小约相当于真车、真马、真人的二分之一.它完全仿实物精心制作,真实地再现了秦始皇帝车驾的风采.
秦代的金属加工技术辉煌的成就在秦陵铜车马的制造上集中体现出来.秦陵铜车马共有三千多个零件,秦代工匠巧妙地运用了铸造、焊接、镶嵌、销接、活铰连接、子母扣连接、转轴连接等各种工艺技术,将此结合为一个整体,达到了非常高的水平.特别是一、二号车的伞盖,其厚度仅0.1~0.4厘米,而面积分别为1.12和2.3平方米,整体用浑铸法一次铸出,即使在今天,要铸成这么大而薄、均匀呈穹隆形的铜件也非易事.
至今,铜车马上的各种链条仍转动灵活,门、窗开闭自如,牵动辕衡,仍能载舆行使.秦陵铜车马被誉为中国古代的“青铜之冠”.
2.探究:铁片与铁粉颜色不同的原因
问题:铝粉具有银白色的光泽,常用来做涂料(俗称银粉、银漆),保护铁制品不被腐蚀,而且美观,但一般金属粉末的颜色为黑色,为什么金属在粉末状时的颜色是黑色呢?
实验:
实验一:取一块铁片,用细砂纸打磨表面,用滤纸(或软布)擦拭后,观察铁片的颜色;观察实验室里的铁屑样品颜色.
实验二:取一小块玻璃残片,观察其颜色.将玻璃小心敲碎(注意保护好眼睛),观察玻璃屑的颜色.
根据以上实验探究,结合你学过的物理光学知识,解释玻璃屑颜色不同于玻璃片的原因.推测铁粉颜色与铁片颜色不同的原因.
3.特种合金
目前工业上应用的合金种类数以千计,现只简要地介绍其中几大类.
(1)耐蚀合金
金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力,称金属的耐蚀性.研究表明,耐蚀性高的金属通常符合下列一个或几个条件:
①热力学稳定性高的金属.通常可用其标准电极电势来判断,其数值较正者稳定性较高;较负者则稳定性较低.耐蚀性好的贵金属,如Pt、Au、Ag、Cu等就属于这一类.
②易于钝化的金属.不少金属可在氧化性介质中形成具有保护作用的致密氧化膜,这种现象称为钝化.金属中最容易钝化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr和Al等.
③表面能生成难溶的腐蚀产物保护膜的金属.这种情况只有在金属处于特定的介质中才出现,例如,Pb和Al在浓H2SO4中,Fe在H3PO4溶液中,M在盐酸中以及Zn在大气中等.
根据上述原理,工业上采用合金化方法获得一系列耐蚀合金,一般有相应的三种方法:
①提高金属或合金的热力学稳定性,即向原不耐蚀的金属或合金中加入热力学稳定性高的合金元素,使其形成固溶体以及提高合金的电极电势,增强其耐蚀性.如在Cu中加Au,在Ni中加入Cu、Cr等,即属此类.不过这种大量加入贵金属的办法,在大量使用的工业结构材料中的应用是有限的.
②加入易钝化合金元素,如Cr、Ni、M等,可提高基体金属的耐蚀性.在钢中加入适量的Cr,即可制得铬系不锈钢.实验证明,在不锈钢中,含Cr量一般大于13%时才能起抗蚀作用,Cr含量越高,其耐蚀性越好.这类不锈钢在氧化性介质中有很好的抗蚀性,但在稀硫酸和盐酸中,耐蚀性较差,这是因为非氧化性酸不易使合金生成氧化膜,还对氧化膜有溶解作用.
③加入能促使合金表面生成致密的腐蚀产物保护膜的合金元素,是制造耐蚀合金的又一途径.例如,钢能耐大气腐蚀是由于其表面形成结构致密的羟基氧化铁[FeOx·(OH)(3-2x)],它能起保护作用.钢中加入Cu与P或P与Cr均可促进这种保护膜的生成,由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大气腐蚀的合金钢.
金属腐蚀是工业上危害最大的自发过程,因此耐蚀合金的开发与应用,有重大的社会意义和经济价值.
(2)耐热合金
这类合金又称高温合金,它对于在高温条件下的工业部门和应用技术领域有着重大的意义.
一般来说,金属材料的熔点越高,其可使用的温度限度越高.一般的金属材料都只能在500~600℃下长期工作,这是因为随着温度的升高,金属材料的机械性能显著下降,氧化腐蚀的趋势相应增大.能在高于700℃下工作的合金统称耐热合金.“耐热”是指其在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性.
提高钢铁高温强度的方法很多,从结构、性质的化学观点看,大致有两种主要方法:
一是增加钢中原子间在高温下的结合力.研究指出,金属中原子间的结合力,即金属键强度大小,主要与原子中未成对的电子数有关.从周期表中看,ⅥB族元素金属键在同一周期中最强.因此,在钢中加入Cr、M、W等的效果最佳.
二是加入能形成各种碳化物或金属间化合物的元素,以使钢基体强化.由若干过渡金属与碳原子生成的碳化物属于间隙化合物,它们在金属键的基础上,又增加了共价键的成分,因此硬度极大,熔点很高.例如,加入W、M、V、Nb可生成WC、W2C、MC、M2C、VC、NbC等碳化物,从而增加了钢铁的高温强度.
提高钢铁抗氧化性的途径有两条:一是在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素,或在钢的表面进行Cr、Si、Al合金化处理.它们在氧化性气氛中可很快生成一层致密的氧化膜,并牢固地附在钢的表面,从而有效地阻止氧化的继续进行.二是用各种方法在钢铁表面形成高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等耐高温涂层.
除上述铁基耐热合金外,利用合金方法,还可制得镍基、钼基、铌基和钨基耐热合金,它们在高温下具有良好的机械性能和化学稳定性.其中镍基合金是最优的超耐热金属材料,组织中基体是Ni-Cr-C的固溶体和Ni3Al金属化合物,经处理后,其使用温度可达1000~1100℃.
(3)钛合金
钛是周期表中第ⅣB族元素,外观似钢,熔点达1672℃,属难熔金属.钛在地壳中含量较丰富,远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属.我国钛的资源极为丰富,仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中,伴生钛金属储量约达4.2亿吨,接近国外探明钛储量的总和.
纯钛机械性能强,可塑性好,易于加工,当钛中含有杂质时,特别是O、N、C等元素存在时,会提高钛的强度和硬度,但会降低其塑性,增加脆性.
钛是容易钝化的金属,且在含氧环境中,其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合.因此,钛在空气、水和若干腐蚀介质中都是稳定的.钛和钛合金有优异的耐蚀性,只能被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀.特别是钛在海水中很稳定,将钛或钛合金放入海水中数年,取出后,仍光亮如初,远优于不锈钢.
钛的另一重要特性是密度小而强度高,其强度是不锈钢的3.5倍,铝合金的1.3倍,常用于制造性能优异的轻质合金.液态的钛能溶解几乎所有的金属,形成固溶体或金属化合物等各种合金.合金元素如Al、V、Zr、Sn、Si、M和Mn等的加入,可改善钛的性能,以适应不同部门的需要.例如,Ti-Al-Sn合金有很高的热稳定性,可在相当高的温度下长时间工作;以Ti-Al-V合金为代表的超塑性合金,可以50%~150%的伸长率加工成型,其最大伸长率可达到2000%.而一般合金的塑性加工的伸长率不超过30%.
由于上述优异性能,钛享有“未来的金属”的美称.钛合金已广泛用于国民经济各部门,它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料.船舶、化工、电子器件和通信设备以及若干轻工业部门中也要应用钛合金,如蒸汽涡轮叶片、深海压力容器、钟表、眼镜架、高尔夫球棒头等.
(4)磁性合金
材料在外加磁场中,可表现出三种情况:①不被磁场所吸引的,叫反磁性材料;②微弱地被磁场所吸引的,叫顺磁性材料;③强烈地被磁场吸引的,称铁磁性材料,其磁性随外磁场的加强而急剧增大,并在外磁场移走后,仍能保留磁性.金属材料中,大多数过渡金属具有顺磁性;只有Fe、C、Ni等少数金属是铁磁性的,Fe、C、Ni和某些稀土元素是金属中组成永磁材料的主要元素.目前使用的永磁合金有稀土─钴系、铁─铬─钴系和锰─铝─碳系合金.
磁性合金在电力、电子、计算机、自动控制和电光学等新兴技术领域中,有着日益广泛的应用.
4.形状记忆合金的应用
目前,形状记忆合金在电子、机械、能源、宇航、土木、汽车、医疗及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:
(1)自由恢复.SMA在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由恢复到记忆的形状.自由恢复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器.美国航空航天局(NASA)将Ti2Ni合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内.发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开.血栓过滤器把Ni2Ti合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静脉腔,经体温加热后,形状变为网状,可以阻止凝血块流动.有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构.
(2)强制恢复.强制恢复最成功的例子是SMA管接头.事先把内径加工成比被接管外径小4%,当进行连接操作时,首先把管接头浸泡在液态空气中,在低温保温状态下扩径后,把被接管从两端插入,升高温度,内径恢复到扩径前的状态,把被接管牢牢箍紧.利用SMA制作的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部,防止血液流入,使动脉瘤缺血坏死.本田等人用Ti2Ni板制作的Ag2TiNi复合夹满足小而轻、装卸简便等要求,效果良好.此外,类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和用于脊柱侧弯矫形的哈伦顿棒等.
(3)动力装置.有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往复运动中对外产生力的作用.温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启闭、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型.1997年美国航空航天局(NASA)的科学家利用Ni-TiSMA驱动火星探测器上的太阳能电池挡板,加热SMA,使其收缩,通过传动装置,打开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电.充电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位.挡板的有效开合可起到防尘的目的.
(4)精密控制.因为SMA的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,我们往往只利用一部分形状恢复,使机械装置定位于指定的位置.微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类.形状记忆合金用作机器智能人的执行器,集传感、控制、换能、制动于一身,具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点.日本的日立公司已研制出具有13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人.俄罗斯St1Petersburg机器人及控制技术学院在Cu-Al-Ni基合金材料的研究基础上,研制出了拟人机械手,其手爪能移动200kg的物体.该研究小组还给出了手爪的精确控制系统.医学上用到的具有多自由度能弯曲转入肠道内诊断疾病,进行手术的机器人也属于这一类型.现有的大肠镜的直径为10~20mm,这种内窥镜的直径为13mm,因此它特别适用于作大肠镜.诊断过程中,医生一边看纤维镜中的图像,一边移动操纵杆给出前端的第1、2节弯曲角指令和内窥镜前进、后退指令,通过计算机进行柔性控制,使内窥镜能够平滑地沿着通路前进或后退,大大减轻了患者的痛苦,也增加了诊断的准确性.随着目前超大规模集成电路技术的飞速发展,可进一步制成微米级甚至更小的超微仿生物.
(5)超弹性应用.SMA的伪弹性在医学上和日常生活中得到了广泛的应用,市场上的很多产品都应用了SMA的伪弹性(超弹性)性质.主要有牙齿矫形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性Ni2Ti丝、玩具及塑料眼镜镜框等.Ni2Ti丝用于矫形上,即使应变量高达10%也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变的过程中,应变增大较多时矫正力却增加很少,故能保持适宜的矫正力,既可保证疗效,也可减轻患者的不适感.
5.情比金坚
在结婚周年纪念日,小俊的爸爸送了一条金项链给妈妈,并温柔地说:“情比金坚.”妈妈高高兴兴地戴上金项链,问道:“真是情比金坚吗?”给妈妈这样一问,爸爸霎时间不知如何回答,因为他知道金其实并不“坚”,而且十分柔软.反而,一些价钱比金便宜的K金,比金还要“坚硬”呢!K金是金(gld,Au)熔合其他金属而制成的合金(ally),加入了其他金属后,金便改变了本来的结构,以致不容易扭曲.你知道18K金是什么意思吗?金的纯度可以用百分比(percentage)来表示,譬如九九九金表示金的纯度达99.9%.此外,金的纯度也可用克拉(carat)来表示,纯金为24克拉(24-caratgld,24K),而一般K金金饰则是18K.换言之,这些比金还要“坚硬”的18K金里,只有75%是金,而其余25%则是银和铜等.虽然妈妈也知道真金不及K金坚硬,但并不介意,她认为爸爸的心意才是最重要的,而不是纪念品的坚硬程度.
第八单元 金属和金属材料
课题1 金属材料
1.认识金属材料与人类生活和社会发展的密切关系.
2.了解常见金属的物理性质及合金的特点.
3.了解物质的性质与用途的关系.
1.学习运用观察、实验等方法获取信息.
2.学习运用比较、分析、归纳等方法对获取的信息进行加工.
1.进一步培养学生对生活中化学现象的好奇心和探究欲,激发学生学习化学的兴趣.
2.树立事物是相互联系的观点,逐步形成合理使用物质的观念.
【重点】
1.金属材料的物理性质.
2.物质性质与用途的关系.
【难点】
1.培养学生运用探究方法得出相关结论的能力.
2.提高学生综合分析问题的能力.
【教师准备】 金属制品(如别针、铝箔、铜丝、水龙头等)、金属制品的挂图(如自行车、汽车、轮船等)、铁架台(带铁圈)、铁片、酒精灯、绿豆粒大小的焊锡、锡、铅、火柴等.
【学生准备】 大小形状相同的铁片、铜片、铝片,干电池,小灯泡,导线,酒精灯,火柴,砂纸,黄铜,与钛有关的资料和新型合金的资料.
物理性质
物理性质的比较
导电性
导电性逐渐减弱
密度
密度逐渐减小
熔点
熔点由高到低
硬度
硬度由大到小
铁的合金
生铁
钢
含碳量
其他杂质
机械性能
硬而脆、无韧性
硬而韧、有弹性
机械加工
可铸不可锻
可铸、可锻、可压延
性质
比较
现象
黄铜
铜
硬铝
铝
光泽和颜色
有黄色金属光泽
有紫红色金属光泽
有银白色金属光泽
有银白色金属光泽
硬度
黄铜比铜硬
硬铝比铝硬
结论
合金与组分金属的物理性质不同,合金的硬度一般大于其组分金属的硬度
纯金属
合金
铅
镉
铋
锡
焊锡
武德合金
熔点/℃
327
321
271
232
183
70
启示
合金的熔点不同于其组分金属的熔点
教师活动
学生活动
设计意图
【引入】 通过对金属物理性质的学习,我们了解到要满足各种不同的需要,仅用纯金属是不够的.为此,人们在生产实践中制造出了许许多多的具有特殊性能的“新型金属材料”——合金.
学生聆听老师讲解.
从生活入手,从学生已有的经验出发,符合新课程理念.
【板书】 常见合金──生铁和钢.
【阅读探究】 生活中铁制品的图片.
阅读教材4~5页,并提出问题:
1.生铁与钢的组成和性能有什么不同?
2.什么是合金?常见的合金有哪些?
3.我们在生活中见到的金属制品是纯金属多,还是合金多?
学生观察图片,然后阅读教材.
分组讨论交流,回答问题.
由学生熟悉的合金引出合金的概念,指导学生阅读教材,培养学生自学的能力.
【归纳小结】 1.合金是指在金属中加热熔合某些金属或非金属而制得的具有金属特征的物质.
2.生铁与钢的比较:
铁的合金
生铁
钢
含碳量
2%~4.3%
0.03%~2%
其他杂质
除含碳外,生铁中还含有硅、锰等,不锈钢中还含有铬、镍等
学生观察表格内容思考并回答问题.
培养学生的比较、分析、归纳能力.
【过渡】 为什么我们在生活中不用纯铝做门窗,而是用铝合金?为什么不用纯铁制作汤勺,而用不锈钢……
【提出问题】 合金与纯金属有什么不同呢?
学生联系生活经验回答.若有困难可讨论.
为比较合金和组成它们的纯金属的性质的差异做铺垫,激发学生的探究欲望.
【实验探究】 合金和组成它们的纯金属的性质有怎样的差异?铝合金的硬度比纯铝的硬度大在实际生产生活中有什么意义?
学生回答.
培养学生自主学习的能力.
【演示实验】 设计实验比较黄铜片和铜片、铝合金和纯铝的硬度.
【讨论】 比较焊锡和组成它的纯金属锡、铅熔化的温度.焊锡的熔点比组成它的纯金属锡、铅的熔点低,这与焊锡的用途有关吗?
学生观察实验现象并描述,填写下表,交流展示.
学生讨论后回答.
性质
比较
现象
黄铜
铜
硬铝
铝
光泽
和颜色
有黄色金属光泽
有紫红色金属光泽
有银白色金属光泽
有银白色金属光泽
硬度
黄铜比铜硬
硬铝比铝硬
结论
合金与组分金属的物理性质不同,合金的硬度一般大于其组分金属的硬度
培养学生的观察能力、分析能力和归纳能力.
【提出问题】 合金的性能与组成它们的纯金属相比有什么特点?
【教师】 指导学生阅读讨论.
【小结】 合金的性能与组成它们的纯金属不同.
观察教材6页表8-2,根据教材中
的资料分组讨论.
通过对实验现象的分析,培养学生的比较、分析能力.
【板书】 常见合金的主要成分、性能和用途.
【提问】 你知道在生活中有哪些常见的合金吗?说说它们分别具有哪些优良性能.
【展示】 教师投影展示常见合金图片.
学生举出生活中的金属用具,说明利用的物理性质.
师生互动,知识越辩越明.通过投影展示增强直观性.
【联想应用】 下列物品可以用哪种合金来制造,并说明理由.
(1)外科手术刀;(2)防盗门;(3)门锁;(4)自行车支架;(5)硬币;(6)飞机.
学生讨论,发表各自见解,并相互评判.
有助于培养学生分析问题的能力,通过自述、互评加深对合金的认识.
【展示图片】 展示铜、铁、铝、钛四种金属制品.
【讲解】 人类使用金属最早是从铜开始的,后来进入铁器时代,铝的使用才近百年的历史,钛和钛合金是21世纪最重要的金属材料,那么未来会以哪种金属材料为主呢?这需要同学们去研究、创造(重点突出钛合金在生物医学材料上的应用,并介绍形状记忆合金.)
学生观看幻灯片中的图片并聆听老师讲解.
让学生体会到化学在社会发展中的作用,体会到科学技术的进步.培养学生学习化学的信心.
金属或
合金
导电性(以Ag的导电性为100作为标准)
密度
(g·cm-3)
硬度(以金刚石的硬度为10作为标准)
A
99
8.92
3
B
35
3.56
8.9
C
61
2.70
2.9
D
17
7.86
4.5
性质
金属
导电性
(100为标准)
密度
(g/cm3)
熔点(℃)
硬度
(10为标准)
A
99
8.92
1083
3
B
61
2.70
660
2.9
C
17
7.86
1535
5
导入一:
【展示】 金属制品(如铝箔、水龙头等)和金属制品的图片(如别针、自行车、铜丝等).
【介绍】 以上这些实物或图片中的物质都是由金属材料制成的.金属材料包括纯金属以及它们的合金.
【设问】 看到这些实物或图片,你想到了什么?
【学生发表感想】
1.想到金属与人类的生活、生产关系密切.
2.感觉到金属在各个领域都有广泛的用途.
3.想知道它们是由什么金属制成的.
4.想知道制造不同的金属制品根据什么选用金属.
导入二:
【展示】 资料一:1912年,英国斯科特探险队的船只,在去南极的途中,因天气十分寒冷,可是用于取暖的煤油却漏光了,以致探险队员全部冻死在南极冰原.原来装煤油的铁桶是用锡焊接的,而锡却莫名其妙地化为乌有了.
资料二:1867年冬天,俄国彼得堡海军仓库的大批锡砖,一夜之间不翼而飞,留下了泥土一样的灰色粉末.你能猜出产生事故的原因吗?
【解释原因】 锡在温度低于-18℃时,体积就会骤然膨胀,原子间空隙加大.如果温度下降到-33℃,这种变化就会像传染病一样迅速蔓延,使整块的锡很快变成粉末,这种现象人们称为“锡疫”.
导入三:
【展示】
“辽宁号”航空母舰,是中国人民解放军海军第一艘可以搭载固定翼飞机歼15飞机的航母,制造航空母舰和歼15飞机使用大量合金材料(如铁合金、铜合金和钛合金等).你了解这些金属的知识吗?
一、几种重要的金属
思路一
[过渡语] (针对导入一)日常生活用品如自行车、锤子、刀和水龙头等大多数是金属材料制成的.金属的种类有很多,而我们最常见的金属是铁、铝和铜.铜和铁是人类使用较早的金属,我国劳动人民在商代就制造出精美的青铜器,春秋战国时期就会冶铁和炼钢.我们一起看下金属在生活中的应用吧.
【展示】
【思考讨论】 人类在使用铁、铝和铜金属材料的过程中,有什么时代的特点?
【交流】 铝的利用要比铜和铁晚得多,那仅仅是100多年前的事情.但由于铝的密度小和具有抗腐蚀等优良性能,现在世界上铝的年产量已超过了铜,位于铁之后,居第二位.
[过渡语] 金属材料和非金属材料在物理性质上有哪些差异?下面通过实验来探究金属的一些物理性质.
【展示】 活动与探究——金属的物理性质.
【探究内容】 请学生取三块同样大小的铜片、铝片和铁片,进行探究.小组确定研究方案,从光泽、硬度、导电性、导热性、延展性、熔点等多方面进行比较.
【实验步骤】
1.观察它们的颜色和光泽.然后用细砂纸打磨,再观察它们的颜色和光泽.
2.感觉一下它们的质量大小,由此判断它们的密度大小.
3.试试它们是否容易弯曲、折断,并感觉一下它们的硬度.
4.用手拿着金属片的一端,在酒精灯上方烘烤它的另一端(注意:时间不要长,防止烫伤),试试它能不能传热.
【学生活动】 学生动手实验,教师巡视.
【思考讨论】
1.常温下,是不是所有的金属都是固体?
2.金属用砂纸打磨前后,其颜色和光泽是否相同?这说明了什么?
3.金属有哪些共同的物理性质?金属的这些物理性质完全相同吗?请举例说明.
【交流】 大多数金属常温下为固态(除汞外),有颜色和光泽,有良好的导电性、导热性和延展性,熔点较高,密度、硬度因金属的不同而不同.
【教师总结并板书】
1.金属的共同物理性质:有光泽、能导电、能导热、能弯曲、有延展性.
2.金属的特性:大部分金属呈银白色,而铜呈紫红色、金呈黄色.大部分金属是固体,而汞是液体.金属的导电性、导热性、密度、熔点、硬度等差异较大.
[设计意图] 培养学生自主学习的能力、动手能力和创新能力.
【设问】 物质的性质和用途之间又有什么关系呢?
【回答】 物质的性质决定物质的用途.
[过渡语] 金属的物理性质千差万别,下面是一些常见金属物理性质的比较.通过下表的比较,希望同学们能够发现金属的性质和金属的用途之间的关系.
【展示】 一些金属物理性质的比较:
【教师提问】 请大家根据你的生活经验和教材5页表8—1所提供的信息,分组讨论以下问题.
1.为什么菜刀、镰刀、锤子等用铁制而不用铝制?
2.银的导电性比铜好,为什么电线一般用铜制而不用银制?
3.为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制?如果用锡制的话,可能会出现什么情况?
4.为什么有的铁制品如水龙头等要镀铬?如果镀金怎么样?
【学生活动】 学生分组讨论后,由小组代表到前面陈述讨论结果,其他小组可宣布自己的不同答案.
【展示和交流】
1.因为铁的硬度比铝大.
2.银在自然界中的储量少,价格昂贵,故一般不用银而用铜制电线.
3.因为钨的熔点是3410℃,而锡在不到300℃时就会熔化,而且钨的电阻率大,发光能力强,能使灯泡更亮.如果用锡制灯丝,则灯丝易断.
4.铬是硬度最大的金属,镀在铁制品表面既美观,又能延长铁制品的使用寿命.如果镀金则会增加成本,且不耐用,长时间使用后金磨损脱落,则铁又会生锈而缩短水龙头的使用寿命.
【思考讨论】 根据以上讨论结果并结合实际思考物质的性质是否是决定其用途的唯一因素?如若不是,你认为还需考虑哪些因素?
【学生活动】 小组讨论,并交流讨论结果.
【教师总结并板书】 物质的用途主要由物质的性质决定,还需考虑价格、资源、是否美观、使用是否便利,以及废料是否容易回收利用和对环境的影响等.
[设计意图] 让学生通过讨论、比较,归纳出物质的用途与哪些因素有关.体现知识的应用性,联系社会,联系生活,增强学生用化学知识服务生活的意识.
【教师】 我们知道,在一切比赛中,当冠军的感觉都是最好的.那么,哪些金属能获得如此殊荣呢?请大家看资料.
【展示】 金属之最:
地壳中含量最高的金属元素——铝
人体中含量最高的金属元素——钙
目前世界年产量最高的金属——铁
导电、导热性最好的金属——银
硬度最高的金属——铬
熔点最高的金属——钨
熔点最低的金属——汞
密度最大的金属——锇
密度最小的金属——锂
你能很快记住它们吗?
【学生活动】 学生记忆金属之最.
【比一比,赛一赛】 以小组为单位,分小组互相提问金属之最.比一比,赛一赛,看谁是冠军.
[设计意图] 增强化学课堂的趣味性、知识性.
【小结】 通过本节课我们知道,金属的物理性质主要包括颜色、光泽、熔点、沸点、硬度、密度、延展性、导电性、导热性等;金属的物理性质可决定金属的一些用途,但这不是唯一的决定因素,即同时还要考虑经济、环境、资源、美观等方面的问题.这也启示我们在看待任何问题时,都不应是孤立的、片面的,而是要从大局出发,权衡利弊,然后再做决定.
思路二
[过渡语] (针对导入三)航空母舰和歼15飞机使用了大量合金材料,如铁合金、铜合金和钛合金等.在日常生活中同样离不开金属材料,根据你的生活经验,我们日常生活中最常见的金属材料制品又有哪些呢?
【展示】
【教师】 引导学生通过观察图片、阅读课文等了解人类发现金属、认识金属、使用金属的历史,利用学生的生活背景,让学生说出日常生活中接触到的金属制品.
【学生活动】 在教师指导下学生观察图片、有目的地查阅资料,展示收集到的金属制品,如:铜钱、硬币、纪念章等.
【交流】
1.铜和铁是人类使用较早的金属,我国劳动人民在商代就制造出精美的青铜器,春秋战国时期就会冶铁和炼钢.
2.铝的利用要比铜和铁晚得多,仅仅是100多年前的事情.但由于铝的密度小和具有抗腐蚀等优良性能,现在世界上铝的年产量已超过了铜,位于铁之后,居第二位.
[设计意图] 设置背景,让学生从生活走进化学,突出化学与社会的密切联系.
[过渡语] 不同的金属的物理性质是不是有一些共同的特性?我们通过实验来验证一下吧.
【学生活动】 分组实验,实验过程中指导学生观察实验现象:分别取铁丝、铜丝、铝丝.①观察它们的颜色、状态;②用力试试是否可以弯曲、折断;③用小刀割一下;④用铁锤锤一下;⑤用酒精灯加热;⑥用电池、小灯泡测试它们的导电性.
[设计意图] 培养学生实验、观察、归纳总结和语言表达的能力,实事求是的科学态度,激发学生的学习兴趣,领悟科学探究的方法,从中获得成功的喜悦.通过合作学习的方式,培养学生的合作意识和与人交流的方法.
【教师】 指导学生阅读课文,了解金属共同的物理性质和部分重要金属的特性.
【学生活动】 阅读教材第2~3页.讨论,总结出金属的物理性质.
【教师总结并板书】
1.金属的共同物理性质:有光泽、能导电、能导热、能弯曲、有延展性.
2.金属的特性:大部分金属呈银白色,而铜呈紫红色、金呈黄色.大部分金属是固体,而汞是液体.金属的导电性、导热性、密度、熔点、硬度等差异较大.
【交流】 让每组的学生代表说出实验和讨论的结果,其他同学补充.
[设计意图] 培养学生的自学能力、阅读能力和归纳能力.
【展示】 讨论题:
1.为什么菜刀、镰刀、锤子等用铁制而不用铝制?
2.银的导电性比铜好,为什么电线一般用铜制而不用银制?
3.为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制?如果用锡制会出现什么情况?
4.为什么有的铁制品如水龙头等要镀铬?如果镀金怎么样?
【学生活动】 学生分组讨论,然后代表陈述讨论、交流结果,其他同学作补充.
[设计意图] 通过讨论,让学生明白物质的用途与其性质有密切的联系,得出“物质的用途是由其性质决定的”这一重要结论.
【提问】 结合你在生活中看到的其他现象回答:物质的性质是否是决定物质用途的唯一因素?
【教师总结】 物质的性质决定物质的用途,但这不是唯一的决定因素,在考虑物质的用途时,还需要考虑价格、资源、是否美观、使用是否便利,以及废料是否易于回收和对环境的影响等多种因素.
[设计意图] 培养学生理论联系实际的求实态度.
二、合金
思路一
[过渡语] 我们生活中常见的金属材料都是纯金属吗?目前已制得的纯金属只有90余种.由于科学技术的日新月异,仅有的这些纯金属已经远远不能满足工农业生产和国防技术现代化的需求.因此合金材料应运而生.纯净的铁由于硬度较小而较少使用,我们在日常生活中接触到的钢铁多数是铁碳合金.
【板书】 常见合金——生铁和钢.
【思考讨论】 生活中常用的铁制品有哪些?钢和生铁的性能有什么区别?
【交流】 铁钉、铁锅、铁锨.钢的性能比生铁好.
【阅读】 见教材第4页关于合金的第一段,填写下表.
生铁与钢的比较
【归纳】 合金是指在金属中加热熔合某些金属或非金属而制得的具有金属特征的物质.
[过渡语] 我们在生活中见到的金属制品除了铁的合金,还有哪些合金呢?
【交流】 不锈钢、铝合金等.
[设计意图] 体现知识的应用性,联系社会,联系生活.培养学生用化学知识服务生活的意识.在应用中更深刻地领会知识.
【展示】 讨论:建筑物的防盗门及防盗网为什么常用不锈钢制造呢?
【实验】 教材5页实验8-1,划痕法比较黄铜和铜、硬铝和铝的硬度.按照图示分别实验.
【交流】 观察和填写实验现象.
【展示】 讨论:你知道合金材料有哪些优良的物理性能吗?
【学生分析与小结】 合金的很多性能与组成它们的纯金属不同,使合金更适合于不同的用途.比如硬度更大、熔点更低、加工更方便,并且改变了颜色、密度、韧性、耐磨性、导热性、导电性以及延性、展性等等.
【板书】 常见合金的主要成分、性能和用途.
【讨论】 分组讨论下表,合金和纯金属在性能上有什么不同?
【启示】 焊锡主要用于焊接金属等;武德合金(组成金属的质量分数分别为:铋50%、铅25%、锡13%和镉12%)可用于制电路保险丝等.合金的性能与组成它们的纯金属不同,比如合金的熔点一般小于组成它的纯金属;通过改变组成和含量,可以使合金具有许多良好的物理、化学和机械加工性能,适合于不同的用途等等.
[设计意图] 通过对实验现象的分析,培养学生的比较、分析和归纳能力.
【展示】 学生观看幻灯片上的图片并聆听老师讲解.
【学生展示】 课前查阅有关“未来金属——钛和钛合金”的资料(钛合金的广泛应用、优良性能、发展前景……).钛和钛合金被认为是21世纪的重要金属材料,钛合金与人体有很好的“相容性”,因此可用来制造人造骨等.
思路二
[知识拓展] 生铁与钢的比较:
一般地说,含碳量在2%~4.3%的铁的合金叫做生铁.生铁里除含碳外,还含有硅、锰以及少量的硫、磷等,它可铸不可锻.根据碳的存在形式可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等几种.
一般地说,含碳量在0.03%~2%的铁的合金叫做钢.钢坚硬有韧性、弹性,可以锻打、压延,也可以铸造.钢的分类方法很多,如果按化学成分分类,钢可以分为碳素钢和合金钢两大类.碳素钢就是普通的钢.合金钢也叫特种钢,是在碳素钢中适当地加入一种或几种如锰、铬、镍、钨、铜等合金元素而制成的.合金元素使合金钢具有各种不同的特殊性能.
金金属有共同的物理性质金属光泽大多为电和热的良导体有延展性有不同的物理性质合金特点①一定是混合物②合金中各成分都是以单质形式存在的③合金中至少有一种金属金属制成合金后性能会发生改变物质的性质决定物质的用途,但不是唯一决定因素
1.(中考改编)下列材料属于合金的是( )
A.玻璃B.活性炭
C.生铁D.陶瓷
解析:玻璃属于无机非金属材料;活性炭属于非金属;生铁是铁的合金;陶瓷属于无机非金属材料.故选C.
2.下列图示材料属于合金的是( )
解析:纯硅是纯净物,故A不是合金;青铜是铜锡合金;青花瓷器是用无机非金属材料制成的,C不是合金;汉白玉的主要成分是碳酸钙,是用无机非金属材料制成的,D也不是合金.故选B.
3.你认为在下表中最适合用于制造门窗的金属或合金是( )
解析:A的导电性好,更适合制作导线.B的硬度较大,密度适中,适合制作门窗.D的密度较大,制作门窗会较重.C的硬度太小,不适合制作门窗.故选B.
4.人们常说的“五金”是指“金、银、铜、铁、锡”,根据所学知识判断,不能与盐酸反应的金属是 (填名称).世界上常用黄金作金融储备、货币等,其原因是 .黄铜是铜锌合金,其硬度比纯铜 (填“大”“小”或“相同”).
解析:考查金属的性质和用途.故答案为:
金、银、铜;金的储量小、性质稳定、价格高;大.
课题1 金属材料
一、几种重要的金属
1.金属的物理性质
共性:有光泽、能导电、能导热、能弯曲、有延展性.
特性:大部分金属呈银白色,而铜呈紫红色、金呈黄色.大部分金属是固体,而汞是液体.金属的导电性、导热性、密度、熔点、硬度等差异较大.
2.金属的物理性质与用途
性质决定用途.
二、合金
常见合金──生铁和钢.
常见合金的主要成分、性能和用途.
一、教材作业
【必做题】
教材第8页练习与应用的3、4、6题.
【选做题】
教材第8页练习与应用的1、2、5题.
二、课后作业
【基础巩固】
1.(中考)下列物质中,不属于合金的是( )
A.不锈钢B.氧化汞
C.黄铜D.生铁
2.下列生活用品用金属材料制作而成的是( )
3.下列说法正确的是( )
A.铝是人类最早利用的金属
B.铜是目前世界年产量最高的金属
C.大多数金属元素在自然界中以单质形式存在
D.日常使用的金属材料大多数是合金
4.(中考)夏天防雷电,远离金属.这是因为金属具有( )
A.导电性B.导热性
C.延展性D.光泽
5.下列关于合金的说法正确的是( )
A.合金不属于金属材料
B.合金的硬度一般比各成分金属硬度大
C.合金属于金属单质
D.多数合金的熔点高于组成它的成分金属
6.金属材料的性质在很大程度上决定了它们的用途.下列说法中不正确的是( )
A.不锈钢抗腐蚀性好,常用于制造医疗器械
B.铁具有良好的导热性,可以用于制造炊具
C.铝合金轻而坚韧,可作汽车、飞机和火箭的材料
D.铅锑合金的熔点较低、电阻率较大,常用于制成发热体
【能力提升】
7.(中考节选)金属及合金是重要的工业及建筑材料,某些金属离子是人体不可或缺的元素.下表是A、B、C三种金属的部分物理性质.
(1)三种金属中最不适宜作导线的是 (填字母),高压输电线不用金属A而选用金属B,主要原因是 .
(2)C的合金通常可以做菜刀、锤子等,其合金的硬度 5(填“>”“<”或“=”).
【拓展探究】
8.将炉甘石(ZnCO3)、赤铜(Cu2O)和木炭粉混合后加热到约800℃,得到一种锌和铜的合金——黄铜,外观似黄金但质地坚硬.(提示:ZnCO3ZnO+CO2↑)
(1)黄铜是金属材料吗? (填“是”或“不是”).
(2)写出其中赤铜和木炭粉反应的化学方程式: .
【答案与解析】
1.B(解析:不锈钢属于铁的合金;氧化汞是金属氧化物;黄铜是铜的合金;生铁是铁的合金.故选B.)
2.B(解析:不锈钢是一种常见金属材料,是铁的合金.)
3.D(解析:A项,人类使用金属的先后顺序是铜、铁、铝;B项,目前世界年产量最高的金属是铁;C项,只有少量金属如金、银在自然界中以单质形式存在,大多数金属以化合物形式存在;D项,由于合金有着比金属更优异的性能,日常使用的金属材料大多数是合金.)
4.A
5.B(解析:A项,金属材料包括纯金属和合金;B项,合金的硬度一般比各成分金属硬度大,例如黄铜的硬度大于它的成分金属铜和锌;C项,合金是金属和金属或者金属和非金属加热熔合而成的有金属特性的物质,是混合物;D项,多数合金的熔点低于组成它的成分金属,例如焊锡的熔点低于它的成分金属铅和锡.)
6.D(解析:D项铅锑合金熔点低,不适宜制成发热体.)
7.(1)C;高压输电线一般需横截面积较大的导线,且架设较高(现在也有部分走地下),故用导电性较好、密度较小的金属B而不用金属A (2)>(解析:(1)金属C的导电性最差,最不适宜作导线;高压输电线不用金属A而选用金属B,主要原因是金属B的密度小;(2)金属制成合金后,硬度会增大,故其合金的硬度>5.)
8.(1)是 (2)2Cu2O+C4Cu+CO2↑(解析:(1)黄铜是铜和锌的合金,是金属材料.(2)木炭在高温下有还原性,可以夺取金属氧化物中的氧使其还原为金属.)
以学生自主探究解决金属材料的课题为中心,引导学生从故事化的教学情境入手,由学生提出探究目的和方案,并用交流、实验、设计、辩论等方式,得出如何区分常见的金属和非金属以及金属物理性质与用途的关系,由学生熟悉的几种金属材料的应用,自然过渡到探究合金的相关知识,教学环节既生动真实又可行,符合学生的认知规律和探究性学习要求.学生的自主活动充分,参与面广、参与程度深;教师在多样化的教学方式下,于潜移默化中引领学生转变学习方式;多次、适时应用STS渗透教育,使学生体验到学习化学的价值和乐趣.
改进建议:
1.课前可以由学生收集一些常见的金属材料,由实物或事实入手,使学生认识金属材料与日常生活以及社会发展的关系,并进而引入对金属的物理性质的教学.
2.认真做好教材5页实验8-1,使学生认识物质组成的改变是其性能发生改变的重要依据,也是为什么目前纯金属只有90余种,但由这些纯金属按一定组成和质量比制得的合金已达几千种的原因.
练习与应用(教材第8页)
1.(1)①②④ (2)延展 (3)导电
2.(1)不正确.(解析:地壳中含量最高的金属元素是铝.) (2)不正确.(解析:钢是铁的合金.) (3)正确.
3.1元硬币是钢芯镀镍合金制造的;5角硬币是钢芯镀铜合金制造的;1角硬币是不锈钢制造的.这些合金有色泽好、抗腐蚀、硬度大等性质.
4.(1)外科手术刀:不锈钢,因为其抗腐蚀性好. (2)防盗门:锰钢,因为其硬度大. (3)门锁:黄铜,因为其强度高、可塑性好、易加工、耐腐蚀. (4)自行车支架:锰钢,因为其韧性好、硬度大.(解析:利用合金优良的性能,答案合理即可.)
5.该金属可能的用途有:制作机器零件、火箭、飞机、轮船、电线、电缆、化工和通讯设备等.(解析:物质的性质决定其用途.)
6.解:0.013g二氧化碳中碳元素的质量为0.013g×1244×100%≈0.0035g,所以此钢样中碳的质量分数为×100%≈0.32%.
1.秦铜之冠——秦陵铜车马
秦陵铜车马出土于秦始皇陵西侧20米处,1980年局部试掘铜车马坑时,在一木椁内出土一前一后纵置的两辆大型铜车马,出土时已残破,经修复后恢复原状.
铜车马主体为青铜所铸,一些零部件为金银饰品.各个部件分别铸造,然后用嵌铸、焊接、黏接、铆接、子母扣、纽环扣接、销钉连接等多种机械连接工艺,将众多的部件组装为一体.通体彩绘,马为白色,彩绘时所用颜料均为用胶调和的矿物颜料,利用胶的浓度塑造出立体线条.车、马和俑的大小约相当于真车、真马、真人的二分之一.它完全仿实物精心制作,真实地再现了秦始皇帝车驾的风采.
秦代的金属加工技术辉煌的成就在秦陵铜车马的制造上集中体现出来.秦陵铜车马共有三千多个零件,秦代工匠巧妙地运用了铸造、焊接、镶嵌、销接、活铰连接、子母扣连接、转轴连接等各种工艺技术,将此结合为一个整体,达到了非常高的水平.特别是一、二号车的伞盖,其厚度仅0.1~0.4厘米,而面积分别为1.12和2.3平方米,整体用浑铸法一次铸出,即使在今天,要铸成这么大而薄、均匀呈穹隆形的铜件也非易事.
至今,铜车马上的各种链条仍转动灵活,门、窗开闭自如,牵动辕衡,仍能载舆行使.秦陵铜车马被誉为中国古代的“青铜之冠”.
2.探究:铁片与铁粉颜色不同的原因
问题:铝粉具有银白色的光泽,常用来做涂料(俗称银粉、银漆),保护铁制品不被腐蚀,而且美观,但一般金属粉末的颜色为黑色,为什么金属在粉末状时的颜色是黑色呢?
实验:
实验一:取一块铁片,用细砂纸打磨表面,用滤纸(或软布)擦拭后,观察铁片的颜色;观察实验室里的铁屑样品颜色.
实验二:取一小块玻璃残片,观察其颜色.将玻璃小心敲碎(注意保护好眼睛),观察玻璃屑的颜色.
根据以上实验探究,结合你学过的物理光学知识,解释玻璃屑颜色不同于玻璃片的原因.推测铁粉颜色与铁片颜色不同的原因.
3.特种合金
目前工业上应用的合金种类数以千计,现只简要地介绍其中几大类.
(1)耐蚀合金
金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力,称金属的耐蚀性.研究表明,耐蚀性高的金属通常符合下列一个或几个条件:
①热力学稳定性高的金属.通常可用其标准电极电势来判断,其数值较正者稳定性较高;较负者则稳定性较低.耐蚀性好的贵金属,如Pt、Au、Ag、Cu等就属于这一类.
②易于钝化的金属.不少金属可在氧化性介质中形成具有保护作用的致密氧化膜,这种现象称为钝化.金属中最容易钝化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr和Al等.
③表面能生成难溶的腐蚀产物保护膜的金属.这种情况只有在金属处于特定的介质中才出现,例如,Pb和Al在浓H2SO4中,Fe在H3PO4溶液中,M在盐酸中以及Zn在大气中等.
根据上述原理,工业上采用合金化方法获得一系列耐蚀合金,一般有相应的三种方法:
①提高金属或合金的热力学稳定性,即向原不耐蚀的金属或合金中加入热力学稳定性高的合金元素,使其形成固溶体以及提高合金的电极电势,增强其耐蚀性.如在Cu中加Au,在Ni中加入Cu、Cr等,即属此类.不过这种大量加入贵金属的办法,在大量使用的工业结构材料中的应用是有限的.
②加入易钝化合金元素,如Cr、Ni、M等,可提高基体金属的耐蚀性.在钢中加入适量的Cr,即可制得铬系不锈钢.实验证明,在不锈钢中,含Cr量一般大于13%时才能起抗蚀作用,Cr含量越高,其耐蚀性越好.这类不锈钢在氧化性介质中有很好的抗蚀性,但在稀硫酸和盐酸中,耐蚀性较差,这是因为非氧化性酸不易使合金生成氧化膜,还对氧化膜有溶解作用.
③加入能促使合金表面生成致密的腐蚀产物保护膜的合金元素,是制造耐蚀合金的又一途径.例如,钢能耐大气腐蚀是由于其表面形成结构致密的羟基氧化铁[FeOx·(OH)(3-2x)],它能起保护作用.钢中加入Cu与P或P与Cr均可促进这种保护膜的生成,由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大气腐蚀的合金钢.
金属腐蚀是工业上危害最大的自发过程,因此耐蚀合金的开发与应用,有重大的社会意义和经济价值.
(2)耐热合金
这类合金又称高温合金,它对于在高温条件下的工业部门和应用技术领域有着重大的意义.
一般来说,金属材料的熔点越高,其可使用的温度限度越高.一般的金属材料都只能在500~600℃下长期工作,这是因为随着温度的升高,金属材料的机械性能显著下降,氧化腐蚀的趋势相应增大.能在高于700℃下工作的合金统称耐热合金.“耐热”是指其在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性.
提高钢铁高温强度的方法很多,从结构、性质的化学观点看,大致有两种主要方法:
一是增加钢中原子间在高温下的结合力.研究指出,金属中原子间的结合力,即金属键强度大小,主要与原子中未成对的电子数有关.从周期表中看,ⅥB族元素金属键在同一周期中最强.因此,在钢中加入Cr、M、W等的效果最佳.
二是加入能形成各种碳化物或金属间化合物的元素,以使钢基体强化.由若干过渡金属与碳原子生成的碳化物属于间隙化合物,它们在金属键的基础上,又增加了共价键的成分,因此硬度极大,熔点很高.例如,加入W、M、V、Nb可生成WC、W2C、MC、M2C、VC、NbC等碳化物,从而增加了钢铁的高温强度.
提高钢铁抗氧化性的途径有两条:一是在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素,或在钢的表面进行Cr、Si、Al合金化处理.它们在氧化性气氛中可很快生成一层致密的氧化膜,并牢固地附在钢的表面,从而有效地阻止氧化的继续进行.二是用各种方法在钢铁表面形成高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等耐高温涂层.
除上述铁基耐热合金外,利用合金方法,还可制得镍基、钼基、铌基和钨基耐热合金,它们在高温下具有良好的机械性能和化学稳定性.其中镍基合金是最优的超耐热金属材料,组织中基体是Ni-Cr-C的固溶体和Ni3Al金属化合物,经处理后,其使用温度可达1000~1100℃.
(3)钛合金
钛是周期表中第ⅣB族元素,外观似钢,熔点达1672℃,属难熔金属.钛在地壳中含量较丰富,远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属.我国钛的资源极为丰富,仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中,伴生钛金属储量约达4.2亿吨,接近国外探明钛储量的总和.
纯钛机械性能强,可塑性好,易于加工,当钛中含有杂质时,特别是O、N、C等元素存在时,会提高钛的强度和硬度,但会降低其塑性,增加脆性.
钛是容易钝化的金属,且在含氧环境中,其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合.因此,钛在空气、水和若干腐蚀介质中都是稳定的.钛和钛合金有优异的耐蚀性,只能被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀.特别是钛在海水中很稳定,将钛或钛合金放入海水中数年,取出后,仍光亮如初,远优于不锈钢.
钛的另一重要特性是密度小而强度高,其强度是不锈钢的3.5倍,铝合金的1.3倍,常用于制造性能优异的轻质合金.液态的钛能溶解几乎所有的金属,形成固溶体或金属化合物等各种合金.合金元素如Al、V、Zr、Sn、Si、M和Mn等的加入,可改善钛的性能,以适应不同部门的需要.例如,Ti-Al-Sn合金有很高的热稳定性,可在相当高的温度下长时间工作;以Ti-Al-V合金为代表的超塑性合金,可以50%~150%的伸长率加工成型,其最大伸长率可达到2000%.而一般合金的塑性加工的伸长率不超过30%.
由于上述优异性能,钛享有“未来的金属”的美称.钛合金已广泛用于国民经济各部门,它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料.船舶、化工、电子器件和通信设备以及若干轻工业部门中也要应用钛合金,如蒸汽涡轮叶片、深海压力容器、钟表、眼镜架、高尔夫球棒头等.
(4)磁性合金
材料在外加磁场中,可表现出三种情况:①不被磁场所吸引的,叫反磁性材料;②微弱地被磁场所吸引的,叫顺磁性材料;③强烈地被磁场吸引的,称铁磁性材料,其磁性随外磁场的加强而急剧增大,并在外磁场移走后,仍能保留磁性.金属材料中,大多数过渡金属具有顺磁性;只有Fe、C、Ni等少数金属是铁磁性的,Fe、C、Ni和某些稀土元素是金属中组成永磁材料的主要元素.目前使用的永磁合金有稀土─钴系、铁─铬─钴系和锰─铝─碳系合金.
磁性合金在电力、电子、计算机、自动控制和电光学等新兴技术领域中,有着日益广泛的应用.
4.形状记忆合金的应用
目前,形状记忆合金在电子、机械、能源、宇航、土木、汽车、医疗及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:
(1)自由恢复.SMA在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由恢复到记忆的形状.自由恢复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器.美国航空航天局(NASA)将Ti2Ni合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内.发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开.血栓过滤器把Ni2Ti合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静脉腔,经体温加热后,形状变为网状,可以阻止凝血块流动.有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构.
(2)强制恢复.强制恢复最成功的例子是SMA管接头.事先把内径加工成比被接管外径小4%,当进行连接操作时,首先把管接头浸泡在液态空气中,在低温保温状态下扩径后,把被接管从两端插入,升高温度,内径恢复到扩径前的状态,把被接管牢牢箍紧.利用SMA制作的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部,防止血液流入,使动脉瘤缺血坏死.本田等人用Ti2Ni板制作的Ag2TiNi复合夹满足小而轻、装卸简便等要求,效果良好.此外,类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和用于脊柱侧弯矫形的哈伦顿棒等.
(3)动力装置.有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往复运动中对外产生力的作用.温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启闭、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型.1997年美国航空航天局(NASA)的科学家利用Ni-TiSMA驱动火星探测器上的太阳能电池挡板,加热SMA,使其收缩,通过传动装置,打开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电.充电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位.挡板的有效开合可起到防尘的目的.
(4)精密控制.因为SMA的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,我们往往只利用一部分形状恢复,使机械装置定位于指定的位置.微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类.形状记忆合金用作机器智能人的执行器,集传感、控制、换能、制动于一身,具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点.日本的日立公司已研制出具有13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人.俄罗斯St1Petersburg机器人及控制技术学院在Cu-Al-Ni基合金材料的研究基础上,研制出了拟人机械手,其手爪能移动200kg的物体.该研究小组还给出了手爪的精确控制系统.医学上用到的具有多自由度能弯曲转入肠道内诊断疾病,进行手术的机器人也属于这一类型.现有的大肠镜的直径为10~20mm,这种内窥镜的直径为13mm,因此它特别适用于作大肠镜.诊断过程中,医生一边看纤维镜中的图像,一边移动操纵杆给出前端的第1、2节弯曲角指令和内窥镜前进、后退指令,通过计算机进行柔性控制,使内窥镜能够平滑地沿着通路前进或后退,大大减轻了患者的痛苦,也增加了诊断的准确性.随着目前超大规模集成电路技术的飞速发展,可进一步制成微米级甚至更小的超微仿生物.
(5)超弹性应用.SMA的伪弹性在医学上和日常生活中得到了广泛的应用,市场上的很多产品都应用了SMA的伪弹性(超弹性)性质.主要有牙齿矫形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性Ni2Ti丝、玩具及塑料眼镜镜框等.Ni2Ti丝用于矫形上,即使应变量高达10%也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变的过程中,应变增大较多时矫正力却增加很少,故能保持适宜的矫正力,既可保证疗效,也可减轻患者的不适感.
5.情比金坚
在结婚周年纪念日,小俊的爸爸送了一条金项链给妈妈,并温柔地说:“情比金坚.”妈妈高高兴兴地戴上金项链,问道:“真是情比金坚吗?”给妈妈这样一问,爸爸霎时间不知如何回答,因为他知道金其实并不“坚”,而且十分柔软.反而,一些价钱比金便宜的K金,比金还要“坚硬”呢!K金是金(gld,Au)熔合其他金属而制成的合金(ally),加入了其他金属后,金便改变了本来的结构,以致不容易扭曲.你知道18K金是什么意思吗?金的纯度可以用百分比(percentage)来表示,譬如九九九金表示金的纯度达99.9%.此外,金的纯度也可用克拉(carat)来表示,纯金为24克拉(24-caratgld,24K),而一般K金金饰则是18K.换言之,这些比金还要“坚硬”的18K金里,只有75%是金,而其余25%则是银和铜等.虽然妈妈也知道真金不及K金坚硬,但并不介意,她认为爸爸的心意才是最重要的,而不是纪念品的坚硬程度.
第八单元 金属和金属材料
课题1 金属材料
1.认识金属材料与人类生活和社会发展的密切关系.
2.了解常见金属的物理性质及合金的特点.
3.了解物质的性质与用途的关系.
1.学习运用观察、实验等方法获取信息.
2.学习运用比较、分析、归纳等方法对获取的信息进行加工.
1.进一步培养学生对生活中化学现象的好奇心和探究欲,激发学生学习化学的兴趣.
2.树立事物是相互联系的观点,逐步形成合理使用物质的观念.
【重点】
1.金属材料的物理性质.
2.物质性质与用途的关系.
【难点】
1.培养学生运用探究方法得出相关结论的能力.
2.提高学生综合分析问题的能力.
【教师准备】 金属制品(如别针、铝箔、铜丝、水龙头等)、金属制品的挂图(如自行车、汽车、轮船等)、铁架台(带铁圈)、铁片、酒精灯、绿豆粒大小的焊锡、锡、铅、火柴等.
【学生准备】 大小形状相同的铁片、铜片、铝片,干电池,小灯泡,导线,酒精灯,火柴,砂纸,黄铜,与钛有关的资料和新型合金的资料.
物理性质
物理性质的比较
导电性
导电性逐渐减弱
密度
密度逐渐减小
熔点
熔点由高到低
硬度
硬度由大到小
铁的合金
生铁
钢
含碳量
其他杂质
机械性能
硬而脆、无韧性
硬而韧、有弹性
机械加工
可铸不可锻
可铸、可锻、可压延
性质
比较
现象
黄铜
铜
硬铝
铝
光泽和颜色
有黄色金属光泽
有紫红色金属光泽
有银白色金属光泽
有银白色金属光泽
硬度
黄铜比铜硬
硬铝比铝硬
结论
合金与组分金属的物理性质不同,合金的硬度一般大于其组分金属的硬度
纯金属
合金
铅
镉
铋
锡
焊锡
武德合金
熔点/℃
327
321
271
232
183
70
启示
合金的熔点不同于其组分金属的熔点
教师活动
学生活动
设计意图
【引入】 通过对金属物理性质的学习,我们了解到要满足各种不同的需要,仅用纯金属是不够的.为此,人们在生产实践中制造出了许许多多的具有特殊性能的“新型金属材料”——合金.
学生聆听老师讲解.
从生活入手,从学生已有的经验出发,符合新课程理念.
【板书】 常见合金──生铁和钢.
【阅读探究】 生活中铁制品的图片.
阅读教材4~5页,并提出问题:
1.生铁与钢的组成和性能有什么不同?
2.什么是合金?常见的合金有哪些?
3.我们在生活中见到的金属制品是纯金属多,还是合金多?
学生观察图片,然后阅读教材.
分组讨论交流,回答问题.
由学生熟悉的合金引出合金的概念,指导学生阅读教材,培养学生自学的能力.
【归纳小结】 1.合金是指在金属中加热熔合某些金属或非金属而制得的具有金属特征的物质.
2.生铁与钢的比较:
铁的合金
生铁
钢
含碳量
2%~4.3%
0.03%~2%
其他杂质
除含碳外,生铁中还含有硅、锰等,不锈钢中还含有铬、镍等
学生观察表格内容思考并回答问题.
培养学生的比较、分析、归纳能力.
【过渡】 为什么我们在生活中不用纯铝做门窗,而是用铝合金?为什么不用纯铁制作汤勺,而用不锈钢……
【提出问题】 合金与纯金属有什么不同呢?
学生联系生活经验回答.若有困难可讨论.
为比较合金和组成它们的纯金属的性质的差异做铺垫,激发学生的探究欲望.
【实验探究】 合金和组成它们的纯金属的性质有怎样的差异?铝合金的硬度比纯铝的硬度大在实际生产生活中有什么意义?
学生回答.
培养学生自主学习的能力.
【演示实验】 设计实验比较黄铜片和铜片、铝合金和纯铝的硬度.
【讨论】 比较焊锡和组成它的纯金属锡、铅熔化的温度.焊锡的熔点比组成它的纯金属锡、铅的熔点低,这与焊锡的用途有关吗?
学生观察实验现象并描述,填写下表,交流展示.
学生讨论后回答.
性质
比较
现象
黄铜
铜
硬铝
铝
光泽
和颜色
有黄色金属光泽
有紫红色金属光泽
有银白色金属光泽
有银白色金属光泽
硬度
黄铜比铜硬
硬铝比铝硬
结论
合金与组分金属的物理性质不同,合金的硬度一般大于其组分金属的硬度
培养学生的观察能力、分析能力和归纳能力.
【提出问题】 合金的性能与组成它们的纯金属相比有什么特点?
【教师】 指导学生阅读讨论.
【小结】 合金的性能与组成它们的纯金属不同.
观察教材6页表8-2,根据教材中
的资料分组讨论.
通过对实验现象的分析,培养学生的比较、分析能力.
【板书】 常见合金的主要成分、性能和用途.
【提问】 你知道在生活中有哪些常见的合金吗?说说它们分别具有哪些优良性能.
【展示】 教师投影展示常见合金图片.
学生举出生活中的金属用具,说明利用的物理性质.
师生互动,知识越辩越明.通过投影展示增强直观性.
【联想应用】 下列物品可以用哪种合金来制造,并说明理由.
(1)外科手术刀;(2)防盗门;(3)门锁;(4)自行车支架;(5)硬币;(6)飞机.
学生讨论,发表各自见解,并相互评判.
有助于培养学生分析问题的能力,通过自述、互评加深对合金的认识.
【展示图片】 展示铜、铁、铝、钛四种金属制品.
【讲解】 人类使用金属最早是从铜开始的,后来进入铁器时代,铝的使用才近百年的历史,钛和钛合金是21世纪最重要的金属材料,那么未来会以哪种金属材料为主呢?这需要同学们去研究、创造(重点突出钛合金在生物医学材料上的应用,并介绍形状记忆合金.)
学生观看幻灯片中的图片并聆听老师讲解.
让学生体会到化学在社会发展中的作用,体会到科学技术的进步.培养学生学习化学的信心.
金属或
合金
导电性(以Ag的导电性为100作为标准)
密度
(g·cm-3)
硬度(以金刚石的硬度为10作为标准)
A
99
8.92
3
B
35
3.56
8.9
C
61
2.70
2.9
D
17
7.86
4.5
性质
金属
导电性
(100为标准)
密度
(g/cm3)
熔点(℃)
硬度
(10为标准)
A
99
8.92
1083
3
B
61
2.70
660
2.9
C
17
7.86
1535
5
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