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2019-2020學年高中化學上學期《用途廣泛的金屬材料》教學設(shè)計 課題 第二節(jié) 幾種重要的金屬化合物（第三課時） 學 習 目 標 知識與技能 （1）要求學生掌握常見合金的重要用途。 （2）初步認識合理使用金屬材料的意義。 過程與方法 采用討論、社會調(diào)查、思考與交流、角色扮演等多種方法進行教學。 情感、態(tài)度 與價值觀 （1）介紹金屬材料面臨的挑戰(zhàn)，激發(fā)學生的社會責任感。 （2）積極開展社會調(diào)查活動，提高學生對金屬材料的認識，增強其社會活動能力。 （3）開展多種形式的交流活動，培養(yǎng)學生的互助合作精神。 學習 重點 常見合金的重要作用 學習 難點 金屬材料的正確選用 教學 環(huán)節(jié) 教師 活動 學生 活動 設(shè)計 意圖 導入 新課 什么叫合金？合金具有哪些特性？有哪些用途？ 合金是在金屬中加熱熔合某些金屬或非金屬制得具有金屬特征的金屬材料。不同的合金具有不同的性能，主要表現(xiàn)在機械強度、韌性、硬度、可塑性、耐腐蝕性等方面。例如，不銹鋼抗腐蝕性好，用來做醫(yī)療器械、炊具等；硬鋁強度和硬度好，用來制門窗，也用于制火箭、飛機、輪船等；青銅強度高、可塑性好、耐磨、耐腐蝕，用于制機器零件，等等。 師：回答得很好，合金除了具有以上特點外還具有以下性質(zhì)： （1）合金的硬度一般比它的各成分金屬要大。 （2）多數(shù)合金的熔點比它的各成分金屬要低。 （3）改變原料的配比或改變生成合金的條件，可以得到不同性能的合金。 學生思考回答： 了解合金的基本性質(zhì) 環(huán)節(jié)一、常見的合金 常見合金的重要應(yīng)用 1.銅合金 閱讀教材思考：（1）銅合金的分類（青銅、黃銅、白銅）。 （2）各種銅合金的組成（青銅：銅錫合金；黃銅：銅與鋅的合金，還含有少量錫、鉛、鋁等；白銅：含鎳、鋅及少量錳）。 【多媒體投影】 （1）銅材 以純銅或銅合金制成各種形狀包括棒、線、板、帶、條、管、箔等統(tǒng)稱銅材。銅材的加工有軋制、擠制及拉制等方法，銅材中板材和條材有熱軋的和冷軋的；而帶材和箔材都是冷軋的；管材和棒材則分為擠制品和拉制品；線材都是拉制的。 （2）黃銅 黃銅是銅與鋅的合金。最簡單的黃銅是銅鋅二元合金，稱為簡單黃銅或普通黃銅。改變黃銅中鋅的含量可以得到不同機械性能的黃銅。黃銅中鋅的含量較高，其強度也較高，塑性稍低。工業(yè)中采用的黃銅含鋅量不超過45%，含鋅量再高將會產(chǎn)生脆性，使合金性能變壞。 為了改善黃銅的某種性能，在二元黃銅的基礎(chǔ)上加入其他合金元素的黃銅稱為特殊黃銅。常用的合金元素有硅、鋁、錫、鉛、錳、鐵與鎳等。在黃銅中加鋁能提高黃銅的屈服強度和抗腐蝕性，稍降低塑性。含鋁小于4%的黃銅具有良好的加工、鑄造等綜合性能。在黃銅中加1%的錫能顯著改善黃銅的抗海水和大氣腐蝕的能力，因此稱為“海軍黃銅”。錫還能改善黃銅的切削加工性能。黃銅加鉛的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性，鉛對黃銅的強度影響不大。錳黃銅具有良好的機械性能、熱穩(wěn)定性和抗蝕性；在錳黃銅中加鋁，還可以改善它的性能，得到表面光潔的鑄件。黃銅可分為鑄造和壓力加工兩類產(chǎn)品。 (3)青銅 青銅是歷史上應(yīng)用最早的一種合金，原指銅錫合金，因顏色呈青灰色，故稱青銅。為了改善合金的工藝性能和機械性能，大部分青銅內(nèi)還加入其他合金元素，如鉛、鋅、磷等。由于錫是一種稀缺元素，所以工業(yè)上還使用許多不含錫的無錫青銅，它們不僅價格便宜，還具有所需要的特種性能。無錫青銅主要有鋁青銅、鈹青銅、錳青銅、硅青銅等。此外還有成分較為復雜的三元或四元青銅?，F(xiàn)在除黃銅和白銅（銅鎳合金）以外的銅合金均稱為青銅。 錫青銅有較高的機械性能，較好的耐蝕性、減摩性和好的鑄造性能；對過熱和氣體的敏感性小，焊接性能好，無鐵磁性，收縮系數(shù)小。錫青銅在大氣、海水、淡水和蒸汽中的抗蝕性都比黃銅高。鋁青銅有比錫青銅高的機械性能和耐磨、耐蝕、耐寒、耐熱、無鐵磁性，有良好的流動性，無偏析傾向，可得到致密的鑄件。在鋁青銅中加入鐵、鎳和錳等元素，可進一步改善合金的各種性能。青銅也分為壓力加工和鑄造產(chǎn)品兩大類。 (4)白銅 以鎳為主要添加元素的銅基合金呈銀白色,稱為白銅。銅鎳二元合金稱普通白銅，加錳、鐵、鋅和鋁等元素的銅鎳合金稱為復雜白銅，純銅加鎳能顯著提高強度、耐蝕性、電阻和熱電性。工業(yè)用白銅根據(jù)性能特點和用途不同分為結(jié)構(gòu)用白銅和電工用白銅兩種，分別滿足各種耐蝕和特殊的電、熱性能。 2.鋼 師：鋼的分類方法較多，（1）按照品種，劃分為普通碳素鋼、低合金鋼、低硅鋼、一般碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、合金彈簧鋼、軸承鋼等。（2）綜合劃分為普通鋼和優(yōu)質(zhì)鋼兩大類。（3）按照規(guī)格，劃分為大、中、小三類。我們教材按照化學成分分成兩類，即碳素鋼和合金鋼。 提問：（1）碳素鋼按什么分成哪幾類？各具有哪些性能？ 歸納講解：鋼是以鐵、碳為主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11%。鋼是經(jīng)濟建設(shè)中極為重要的金屬材料。碳鋼是由生鐵冶煉獲得的合金，除鐵、碳為其主要成分外，還含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)。碳鋼具有一定的機械性能，又有良好的工藝性能，且價格低廉。因此，碳素鋼獲得了廣泛的應(yīng)用。碳素鋼：按含碳量又可分為低碳鋼（含碳量≤0.3%），韌性、焊接性好，強度低；中碳鋼（0.3%＜含碳量＜0.6%)，強度高、韌性及加工性好；高碳鋼（含碳量≥0.6%），硬而脆，熱處理后彈性好。 （2）合金鋼中含哪些元素？ 師：隨著現(xiàn)代工業(yè)與科學技術(shù)的迅速發(fā)展，碳鋼的性能已不能完全滿足需要，于是人們研制了各種合金鋼。合金鋼是在碳鋼基礎(chǔ)上，有目的地加入某些元素（稱為合金元素，如：鉻、錳、鎢、鎳、鉬、鈷、硅等）而得到的多元合金。合金鋼具有優(yōu)良的性能。 過渡：合金的用途非常廣泛，你愿意不愿意對關(guān)于合金的課題進行一次調(diào)查，并寫出關(guān)于合金的一篇小論文。 觀看ppt、視頻 學生回答 學生回答 環(huán)節(jié)二、特殊功能的合金 實踐活動]給學生提供一些課題，例如 課題一：合金的性質(zhì)與成分有什么關(guān)系？改變某些合金的成分后，合金的性質(zhì)會不會改變？ 課題二：合金有哪些用途？ 課題三：常用設(shè)備上使用了哪些純金屬和合金？ …… [投影范例] 1.形狀記憶合金 形狀記憶合金是在20世紀60年代初期發(fā)現(xiàn)的，它是一種特殊的合金，有一種不可思議的性質(zhì)，即使把它揉成一團，一旦達到一定溫度，它便能在瞬間恢復到原來的形狀。由鎳和鈦組成的合金具有記憶能力，稱為NT合金。 首先將預先加工成某一形狀的這種NT合金，在300～1 000 ℃高溫下熱處理幾分鐘至半小時，這樣NT合金就會記憶被加工成的形狀。以后在室溫下無論形狀怎樣變化，一旦將它的溫度升至一定溫度時，它就會恢復成原來被加工成的形狀。 形狀記憶合金的結(jié)構(gòu)尚未完全探明，為什么金屬會記住某些固定形狀的問題也還沒有完全搞清楚。據(jù)科學家推測，金屬的結(jié)晶狀態(tài)，在被加熱時和冷卻時是不同的，雖然外表沒有變化，然而在一定溫度下，金屬原子的排列方式會發(fā)生突變，這稱為相變。能引起記憶合金形狀改變的條件是溫度。分析表明，這類合金存在著一對可逆轉(zhuǎn)變的晶體結(jié)構(gòu)。如含有Ti和Ni各為50％的記憶合金，有兩種晶體結(jié)構(gòu)，一種是菱形的，另一種是立方體的，這兩種晶體結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)變的溫度是一定的。高于這一溫度，它會由菱形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎襟w結(jié)構(gòu)；低于這一溫度，又由立方體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱庑谓Y(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)類型改變了，它的形狀也就隨之改變。 具有這種形狀記憶效應(yīng)的合金，除鎳鈦合金外，還先后發(fā)現(xiàn)銅鋅、金鎘、鎳鋁等約20種合金。其中“記憶力”最好的是NT合金。 形狀記憶合金的應(yīng)用范圍廣泛，除了可用于溫度控制裝置、集成電路引線、汽車零件與機械零件外，由于其與生物體的相容性好、耐蝕性強，還可用于骨折部位的固定、人造心臟零件、牙齒矯正等醫(yī)用材料。 由于NT合金成本昂貴，目前正在研制廉價的銅系形狀記憶合金。 [投影范例] 2.磁性材料在許多過渡金屬元素和它們的化合物中，由于有未成對的d電子存在，所以具有順磁性，可以被磁場所吸引。Fe、Co、Ni等金屬則具有鐵磁性，鐵磁性物質(zhì)和順磁性物質(zhì)一樣，也會被磁場所吸引，但磁場對鐵磁性物質(zhì)的作用力要比順磁性物質(zhì)大得多。同時，鐵磁性的固體物質(zhì)在磁場中被磁化以后就已經(jīng)永磁化了，也就是說，在外加磁場不存在時仍保留磁性。而順磁性物質(zhì)只有在外加磁場存在時才表現(xiàn)出磁性。并不是所有含未成對電子的金屬都是鐵磁性的，如錳有5個未成對電子，鐵有4個未成對電子，鐵有鐵磁性而錳卻不具有鐵磁性。具有鐵磁性的一個必要條件是在晶格中順磁性的原子之間的距離要正好合適。如果原子靠得太緊密，相鄰原子中由于未成對電子占用的軌道會重疊而使自旋相反的電子配對；如果原子相距太遠，則一個原子中的未成對電子的自旋就不能與相鄰原子中電子的自旋取得一致。 非鐵磁性金屬可以通過制成各種合金而成為鐵磁性的合金。常用的鐵磁性合金有硅鐵(含硅4％～5％)、FeNi合金、FeNiCo合金等。在磁性材料方面，含有某些稀土金屬的永磁鐵是目前最強的永久磁性材料，已廣泛應(yīng)用于近代各個技術(shù)部門，如制造微型電機、各種微波設(shè)備、航空和宇宙航行的儀器等。 現(xiàn)在，一些工業(yè)先進國家正在致力于釹鐵硼永磁材料的科研與生產(chǎn)。 [投影范例] 3.金屬多孔材料 這類材料是采用事先加工好的球狀或不規(guī)則的金屬(Ti、Mo、W等)粉末，經(jīng)過壓型、燒結(jié)等工藝，使金屬顆粒既能熔接起來，又能保持由表及里、縱橫交錯、相互貫通的眾多小空隙。這類材料除具有一般金屬的性能外，最突出的是透過性強，過濾性能高，經(jīng)久耐用。適用于制過濾器、流體分布和滲透裝置等，也適于作消音和減震材料。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，孔徑為0.1 μm以下的金屬多孔材料過濾膜，已普遍用于同位素分離技術(shù)、原子反應(yīng)堆的排氣技術(shù)、消音器、減震器、催化劑、熱交換器、燃料電池的電極等方面。 [投影范例] 4.貴金屬 人們常把化學性質(zhì)極不活潑的金屬稱為貴金屬。它們集中在元素周期表中第Ⅷ族、第ⅠB族的下部，包括釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鋨(Os)、銥(Ir)、鉑(Pt)、銀(Ag)、金(Au)等。貴金屬的特點是密度大、熔點高、化學性質(zhì)穩(wěn)定。塊狀貴金屬在常溫下都不與氧反應(yīng)，它們對酸的化學穩(wěn)定性特別高。由于貴金屬顯示出化學惰性，在地殼中它們可以游離態(tài)存在，所以金和銀成為人類最早認識的貴金屬。 貴金屬主要用于化學工業(yè)及電氣工業(yè)方面。例如，制造各種反應(yīng)容器、蒸發(fā)皿、坩堝、電極、鉑網(wǎng)等；鉑和鉑銠合金制成熱電偶常用于高溫的測定；鉑銥合金可用來制造儀器零件、鋼筆等。金和銀還經(jīng)常被制成金幣、銀幣、紀念幣和首飾等；黃金儲備量還能表示出一個國家的經(jīng)濟實力。 分組實踐 觀看視頻 觀看視頻 觀看視頻 觀看視頻 環(huán)節(jié)三、正確使用金屬材料 過渡：我們了解了金屬及合金的性質(zhì)，那么在實際生活中如何使用呢？ [板書]（二）正確使用金屬材料 思考與交流：如何選用材料？ ［例題剖析］ （例1）某家庭準備裝修窗戶，可使用的材料有：木材、鋼鐵、鋁合金、塑鋼等，請你調(diào)查每種材料的性能、價格、制造或安裝成本、利弊，進行分析。你認為選用哪種材料比較好？說說你的理由。 提示：選材需要考慮以下幾個方面： （1）主要用途 （2）外觀 （3）物理性質(zhì)（密度、硬度、強度、導電性） （4）化學性質(zhì)（對水的作用、耐腐蝕性） （5）價格 （6）加工難度 （7）日常維修等 可以讓學生對自己家庭或某一單位的裝潢根據(jù)以上提示的幾個方面進行調(diào)查，寫出調(diào)查報告，再讓學生對學校某會議室提出裝潢意見。比一比誰的裝潢設(shè)計最合理、最美觀、最有創(chuàng)意。 [實踐活動] 針對是否應(yīng)該停止使用鋁制飲料罐的問題，讓學生自選扮演角色，準備好表達自己看法的材料，開一次辯論會。角色扮演要求學生轉(zhuǎn)變角色，真正從所扮演角色的角度去考慮問題，并參加辯論。這可以使學生逐步學會站在他人的立場思考問題，對于培養(yǎng)學生傾聽別人的意見，尊重、關(guān)心和愛護他人的情感是很有利的。 ［多媒體投影］ [科學視野] 稀土元素及其應(yīng)用 在元素周期表中，第ⅢB族第六周期57號元素的位置上，包括從鑭到镥15種元素，稱為鑭系元素。鑭系元素和釔稱為稀土元素(廣義的稀土也包括鈧)，這是18世紀沿用下來的名稱，因為當時認為這些元素稀有，它們的氧化物既難溶又難熔，因而得名。稀土元素性質(zhì)相似，并在礦物中共生，難以分離。 稀土元素具有特殊的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，因而具有優(yōu)異的物理、化學、磁、光、電學性能，有著極為廣泛的用途。 (1)結(jié)構(gòu)材料 在鋼鐵中加入適量稀土金屬或稀土金屬的化合物，可以使鋼得到良好的塑性、韌性、耐磨性、耐熱性、抗氧化性、抗腐蝕性等等。 (2)磁性材料 稀土金屬可制成永磁材料，稀土永磁材料是20世紀60年代發(fā)展迅速的新型功能材料。如SmCO5、Sm2CO17、Sm2Fe 17N x等磁性能優(yōu)良的材料。 稀土金屬能制成磁光存儲記錄材料，用于生產(chǎn)磁光盤等。 (3)發(fā)光材料 稀土金屬的氧化物可作發(fā)光材料，如彩色電視機顯像管中使用的稀土熒光粉，使畫面亮度和色彩的鮮艷度都提高許多。金屬鹵化物發(fā)光材料能制成節(jié)能光源。稀土金屬還能制成固體激光材料、電致發(fā)光材料等，電致發(fā)光材料可用于大面積超薄型顯示屏。 (4)貯氫材料 用稀土金屬制成的貯氫材料廣泛用于高容量充電電池的電極。 (5)催化劑 在石油化工中，稀土金屬主要用于作催化活性高、壽命長的分子篩型的催化劑，可以用于石油裂化、合成橡膠等工業(yè)。近來，科學家正致力于研究用稀土金屬作為汽車尾氣凈化的催化劑。 (6)超導材料 北京有色金屬研究總院發(fā)明的“混合稀土鋇銅氧超導體”為高溫超導體的研究和應(yīng)用開拓一種新的途徑，榮獲第23屆國際發(fā)明展覽會金獎。 (7)特種玻璃 在石英光導纖維中摻入某些稀土金屬，可大大增強光纖的傳輸能力。 在玻璃工業(yè)中，用稀土金屬作澄清劑、著色劑，可以使玻璃長期保持良好的透明度。玻璃中若加入某些稀土金屬的氧化物可使玻璃染成黃綠色、紫紅色、橙紅色、粉紅色等。稀土金屬化合物也常用于陶瓷的顏料。 (8)精密陶瓷 在陶瓷電容器的材料中加入某些稀土金屬，可提高電容器的穩(wěn)定性、延長使用壽命。 (9)在農(nóng)、林、牧、醫(yī)等方面的應(yīng)用 稀土金屬元素可制成微量元素肥料，促進作物對氮、磷、鉀等的吸收。施用混合稀土肥料后，小麥、水稻、棉花、玉米、高粱、油菜等可增產(chǎn)10％左右，紅薯、大豆等可增產(chǎn)50％左右。稀土金屬可制成植物生長調(diào)節(jié)劑、礦物飼料添加劑等。但是，稀土金屬對作物作用機制，以及長期使用對環(huán)境、生理等的影響還需作更深入的研究。 (10)在環(huán)境保護方面的應(yīng)用 最近，硝酸鑭在環(huán)境保護方面得到應(yīng)用，它可以很有效地除去污水中的磷酸鹽。含磷酸鹽的污水如果被排放到自然水中去，會促使水藻增殖，使水質(zhì)惡化。 (11)引火合金 稀土金屬可以用來作引火合金，例如，作民用打火石和炮彈引信。打火石一般含稀土金屬70%左右，而其中鈰又占了40%，以鈰為主的混合輕稀土金屬與粗糙表面摩擦時，其粉末就會自燃。 思考與交流：如何選用材料？ 分小組進行實踐活動 觀看視頻 體會化學對人類生活的重要性。 環(huán)節(jié)四、小結(jié) ［課堂小結(jié)］ 本節(jié)討論了合金的特點、組成和性質(zhì)，通過銅合金、合金鋼的學習加深了學生對合金的認識，同時通過對我國合金的發(fā)展和現(xiàn)狀的了解培養(yǎng)學生的社會責任感，明確了自己努力的方向，可以鼓勵學生奮發(fā)學習，將來去承擔更大的社會責任。積極開展社會調(diào)查活動，提高學生對金屬材料的認識，增強其社會活動能力，開展多種形式的交流活動，培養(yǎng)學生的互助合作精神。 本堂小結(jié)： 當堂檢測、 布置作業(yè) 板 書 設(shè) 計