談“合金的性質(zhì)”教學(xué)中易出現(xiàn)的三個問題

徐文韜

摘要：“合金的性質(zhì)”是滬教版九年級化學(xué)第五章的重要內(nèi)容。本文對部分初中教師在教學(xué)中存在的概念不清、性質(zhì)理解不透的三個問題進(jìn)行了闡述，表明了教師只有吃透教材、深入研究教材、提升自己學(xué)科素養(yǎng)，才能提高學(xué)生的核心素養(yǎng)水平，提升課堂教學(xué)品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：合金的定義;合金的熔點(diǎn);合金的硬度

文章編號：1008-0546（2022）04x-0095-03

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04x.028

一、前言

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵在課堂，課堂中能否正確傳遞知識的關(guān)鍵在教師。核心素養(yǎng)中的“科學(xué)精神和社會責(zé)任”要求學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，具有探索未知、崇尚真理的意識。教師作為課堂教學(xué)的引導(dǎo)者，在引導(dǎo)學(xué)生形成良好的科學(xué)精神方面起到了至關(guān)重要的作用，這要求教師自身形成過硬的知識體系和學(xué)科素養(yǎng)。

2021年蘇州市學(xué)業(yè)水平調(diào)研卷上有這樣一道題目：

II.貯氫：合金Mg2Cu是一種貯氫材料。（3）Mg2Cu合金由一定質(zhì)量比的Mg、Cu單質(zhì)在高溫下熔煉獲得。熔煉制備時需要通入氬氣，目的是

滬教版九年級上冊化學(xué)書[1]上關(guān)于合金的概念是這樣敘述的：合金是一種金屬跟其他金屬（或非金屬）熔合而成的有金屬特性的物質(zhì)。筆者查閱了人教版和魯教版教材，關(guān)于合金的概念大致相同，分別是“在金屬中加熱熔合某些金屬或非金屬，就可以制得具有金屬特征的合金[2]”“在某種金屬中加熱熔合其他金屬或非金屬后形成的、具有金屬特性的物質(zhì)[3]?！睆亩x不難看出，合金中至少含有兩種物質(zhì)，從物質(zhì)分類的角度來說，合金屬于混合物。而作為一個混合物可以用Mg2Cu這樣的化學(xué)式來表示嗎？帶著這樣的問題，筆者重新翻閱了滬教版“合金”這一節(jié)內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)了許多之前沒有注意到的問題。

二、合金教學(xué)中的相關(guān)問題

問題1：什么是合金？誠如教材所說，合金是由一種金屬跟其他金屬（或非金屬）熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)，如果進(jìn)一步細(xì)分，合金應(yīng)該分為三大類，分別是：混合物合金、固溶體合金和互化物合金（見圖1）。

一般情況下，在熔融狀態(tài)下，大多數(shù)金屬能夠互溶或者部分互溶，在保留了原有金屬結(jié)構(gòu)的情況下，冷卻之后結(jié)晶，機(jī)械性地形成一種混合物，這就是所謂的混合物合金。

固溶體合金指的是，其中一種組分（可以是金屬，也可以是非金屬）的原子或是取代、或是插入另一種組分中形成相應(yīng)的合金，由此固溶體合金可以劃分為兩類，一類是取代固溶體合金，一類是間充固溶體合金。

互化物合金指的是兩種電負(fù)性、原子半徑、電子層結(jié)構(gòu)相差較大的金屬在一定條件下形成的化合物。這種化合物中包含了兩種金屬元素，但晶體的結(jié)構(gòu)與其組分金屬的結(jié)構(gòu)完全不同。依據(jù)其是否滿足化合價規(guī)律，分為兩類。第一類是正?；蟽r合金，第四主族元素中C、Si、Ge、Sn、Pb性質(zhì)相似，介于金屬元素和非金屬元素之間，可以視為+4價，與第二主族的Mg可形成正常價化合物合金。常見的正?；蟽r合金有Mg2Sn、Mg2Pb等;另一類是電子化合物合金（有IB族參與組成的合金），Mg2Cu就屬于電子化合物合金。

由此可見，大多數(shù)情況下合金是一種混合物，而對于第三類互化物合金而言，無論是前面的正常價化合物合金或是電子化合物合金，都屬于化合物的范疇。

問題2：合金的熔點(diǎn)一定低于其組分金屬嗎？

在新授課時，很多教師以保險(xiǎn)絲（武德合金）的熔點(diǎn)低于其組分金屬鉛、錫、鎘、鉍;以焊錫的熔點(diǎn)低于其組分金屬錫和鉛;以鋼的熔點(diǎn)低于其組分鐵和碳為例，從而歸納得出合金的熔點(diǎn)低于其組分金屬。事實(shí)上這樣的歸納是不完全的，是以偏概全的。

關(guān)于合金的熔點(diǎn)，滬教版明確給出了“多數(shù)合金的熔點(diǎn)低于組成它的成分金屬。”這種說法是較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。人教版是在“討論”中給出純金屬的熔點(diǎn)和焊錫、武德合金的熔點(diǎn)，讓學(xué)生自己觀察并總結(jié)。魯科版中則是通過錫片和焊錫放在鐵片上加熱，比較兩者熔化的難易，從而比較熔點(diǎn)的高低。后兩種是通過書本上的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自行歸納，沒有明確的結(jié)論，這就導(dǎo)致了部分教師在這一知識點(diǎn)講解時容易產(chǎn)生科學(xué)性的錯誤。無論是合金的熔點(diǎn)或是硬度，都需要從合金的組成結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的微粒間作用力角度來進(jìn)行分析。

我們都知道純金屬內(nèi)部的微粒間的作用力，主要是金屬鍵。基于自由電子理論，所謂的金屬鍵是指金屬陽離子與自由電子形成的作用力[4]。影響金屬鍵強(qiáng)弱的主要因素有金屬的原子半徑、單位體積內(nèi)自由電子的數(shù)目。而金屬鍵的強(qiáng)弱，往往是通過金屬的氣化焓來衡量。對于合金，由于其中的金屬原子或是被摻雜進(jìn)其他的原子，或是被其他金屬原子替代，根據(jù)自由電子理論，其中的自由電子和金屬離子之間的相互作用力就會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致合金的熔點(diǎn)和硬度發(fā)生改變。

混合物合金，雖然是一種簡單互溶后形成的合金，其晶格和性能與原來組分相差不大，但是不同的金屬陽離子和自由電子之間的相互作用力在一定程度上削弱原有的金屬鍵，所以導(dǎo)致了合金的熔點(diǎn)降低。

固溶體合金中的取代固溶體合金，由于金屬中的部分金屬原子被另一種金屬原子取代，導(dǎo)致了合金的金屬鍵介于兩種純金屬鍵之間。但由于自由電子的影響，會進(jìn)一步導(dǎo)致合金內(nèi)部金屬鍵減弱，導(dǎo)致合金的熔點(diǎn)低于組分金屬熔點(diǎn)的平均值。間充固溶體合金，由于純金屬中往往摻雜有半徑較小的金屬原子或非金屬原子，晶胞結(jié)構(gòu)空間利用率提高，原子之間結(jié)合更加緊密，且與非金屬原子之間可能形成部分共價鍵，導(dǎo)致合金的熔點(diǎn)升高。

正常化合價合金，由于IIA族和IVA族元素之間電負(fù)性存在差異，導(dǎo)致了微粒間得失電子存在可能，從而形成部分的離子鍵，這一強(qiáng)烈的作用力使合金的熔點(diǎn)顯著升高。而電子化合物合金，其組成會在一定范圍內(nèi)變化，較為復(fù)雜，但普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為其金屬鍵是減弱的，其對應(yīng)的熔點(diǎn)會降低。

問題3：合金的硬度一定大于其組分金屬嗎？

1822年奧地利礦物學(xué)家莫斯以十種礦石的劃痕作為標(biāo)準(zhǔn)，定出硬度標(biāo)準(zhǔn)。常見的金剛石作為硬度最大的天然物質(zhì)，硬度記為10，滑石粉作為最軟的礦物，硬度記為1，硬度為1的還有人們所熟知的石墨。在教材中，硬度大小的區(qū)分往往以銅和黃銅相互刻劃、錫與焊錫相互刻劃得出——合金的硬度一般情況下大于其組分金屬的硬度。

滬教版教材中提出“形成合金后，其硬度一般大于組分金屬，多數(shù)合金熔點(diǎn)低于組分金屬。”值得一提的是，對于純金屬而言，其金屬鍵越強(qiáng)，熔點(diǎn)和硬度往往越高、越大。合金的熔點(diǎn)和硬度的變化趨勢卻并不一致，這是為什么呢？

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，這是化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要理論基礎(chǔ)。如圖2所示，上文所說的混合物合金，因其中仍含有相應(yīng)組分（既不相互溶解，亦不形成化合物），故其機(jī)械性能介于兩者之間。

固溶體合金、取代固溶體合金、間充固溶體合金，因?yàn)楹辖饍?nèi)部出現(xiàn)了晶格畸變的現(xiàn)象，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度升高，硬度增大。

互化物合金，一般情況比起純金屬，具有更高的力學(xué)性能，即具有較高的強(qiáng)度、硬度等。但由于其組成不固定，成分較為復(fù)雜，這里就不詳敘。

三、反思與總結(jié)

在科學(xué)技術(shù)日益進(jìn)步的現(xiàn)代社會，人們的生活已經(jīng)離不開各種各樣的合金材料。教師在教學(xué)中對合金的相關(guān)性質(zhì)不能簡單的一句話帶過。在不同的環(huán)境中，人們完全可以依照自身的需要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的合金從而達(dá)到相應(yīng)的目的。在中學(xué)階段，核心素養(yǎng)中的“科學(xué)精神和社會責(zé)任”要求教師在傳授知識時做到嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)，只有教師做到嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，我們的學(xué)生才能更好地在知識海洋中遨游。反之，若教師在上課時信口開河，學(xué)生對教師所傳授的知識也會產(chǎn)生質(zhì)疑，從而影響課堂教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]中學(xué)化學(xué)國家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.化學(xué)（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2013：118.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書（化學(xué)九年級下冊）[M].北京：人民教育出版社，2013：4.

[3]畢華林，盧魏.化學(xué)（九年級下冊）[M].濟(jì)南：山東教育出版社，2013：56.

[4]耿莉莉，吳俊明.關(guān)于金屬鍵的一些思考[J].化學(xué)教學(xué)，2020（11）：8-12.