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2019-2020年高中化學(xué) 第三章 金屬及其化合物 3.3 用途廣泛的非金屬材料教案2 新人教版必修1 教材分析 材料發(fā)展的歷史從生產(chǎn)力的側(cè)面反映了人類社會發(fā)展的文明史，因此，歷史學(xué)家往往根據(jù)當時有代表性的材料將人類社會劃分為石器時代、青銅器時代和鐵器時代等。銅及其合金青銅，是人類社會最早出現(xiàn)的金屬材料。 金屬材料在一個國家的國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的位置，因為金屬材料的資源比較豐富，已積累有一整套相當成熟的生產(chǎn)技術(shù)，有組織大規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)驗，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，價格低廉、性能優(yōu)異。此外，金屬材料自身還在不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè)在冶煉、澆鑄、加工和熱處理等方面不斷出現(xiàn)新工藝。新型的金屬材料如高溫合金、形狀記憶合金、儲氫合金、永磁合金、非晶態(tài)合金相繼問世，大大擴展了金屬材料的應(yīng)用范圍。 鑒于金屬材料在國民經(jīng)濟中占有非常重要的地位，在日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，可以通過這一節(jié)的教學(xué)，讓學(xué)生了解金屬材料的發(fā)展歷史、重要作用和面臨的挑戰(zhàn)，通過激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和社會責任感來提高學(xué)生的求知欲。 教學(xué)建議 第三節(jié)《用途廣泛的金屬材料》是一節(jié)全新的內(nèi)容，閱讀性比較強。教學(xué)建議如下： 1．通過金屬材料發(fā)展史及有關(guān)的知識，使學(xué)生初步認識合理使用金屬材料的意義。 學(xué)生過去對有關(guān)金屬材料的知識了解不多，金屬材料究竟包含哪些材料？它們有哪些功能？主要應(yīng)用在哪些方面？學(xué)生對這些問題不太清楚，對金屬材料的學(xué)習也就不可能有興趣，也就達不到本節(jié)的教學(xué)目的。教師在教學(xué)中應(yīng)該做一些介紹，或讓學(xué)生互相交流，教師補充，讓學(xué)生對金屬材料形成一個初步概念。 金屬材料的基本元素是金屬。因此，籠統(tǒng)地說，金屬材料具有高強度、優(yōu)良的塑性和韌性，耐熱、耐寒，可鑄造、鍛造、沖壓和焊接，還有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和鐵磁性，因此是一切工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中最重要的材料。 2．介紹金屬材料面臨的挑戰(zhàn)，激發(fā)學(xué)生的社會責任感。 近一二十年來，金屬材料的發(fā)展受到了巨大的壓力，這種壓力來自外部和內(nèi)部兩個方面。就外部來講，從20世紀中期開始，高分子材料的崛起，尤其是工程塑料從性能到應(yīng)用許多方面已能和傳統(tǒng)的金屬材料相抗衡，加上原料豐富、價格便宜，產(chǎn)量以驚人的速度增長。與此同時，先進陶瓷材料也嶄露頭角，特別是在現(xiàn)代電子工業(yè)中占有重要地位。因此，材料領(lǐng)域從金屬材料的一統(tǒng)天下轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘佟⑻沾?、高分子材料三足鼎立的新格局。從?nèi)部來講主要是能源、資源和環(huán)境三個方面。金屬材料的近百年的大力發(fā)展，某些主要的金屬礦產(chǎn)資源日漸緊張，高品位的金屬礦產(chǎn)很快減少，低品位的礦產(chǎn)使能源消耗和成本增加。金屬工業(yè)是能源的最重要消耗者，也是嚴重的環(huán)境污染者。這些問題對金屬材料今后的發(fā)展提出了有力的挑戰(zhàn)。 應(yīng)對措施，一是對已有的金屬材料要最大限度地提高它的質(zhì)量，挖掘它的潛力，使其產(chǎn)生最大效益。近些年來，金屬材料的制造技術(shù)有非常迅速的進步，先進的冶煉技術(shù)、精煉技術(shù)、鑄造技術(shù)、連鑄連軋技術(shù)、成型加工技術(shù)和熱處理技術(shù)在不斷提高，微量雜質(zhì)的技術(shù)、微量元素的合金化技術(shù)有所創(chuàng)新。二是開拓金屬材料的新功能，以適應(yīng)更高的使用要求。超高強度鋼、超低碳不銹鋼等新的合金鋼和新的有色合金應(yīng)運而生。三是加強廢舊金屬的回收和再利用。 通過對金屬材料面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對措施的初步介紹，可提高學(xué)生的社會責任感，有志者會明確自己努力的方向，會奮發(fā)學(xué)習，將來去承擔更大的社會責任。 3．積極開展社會調(diào)查活動，提高學(xué)生對金屬材料的認識，增強其社會活動能力。 通過開展社會調(diào)查活動，去了解金屬材料的組成、來源、價格和用途，從不同角度增加對金屬材料的認識。尤其是通過家庭房屋的裝潢，將性能和成本作為選材的重要條件去考慮。 社會調(diào)查活動需要認真組織，有調(diào)查目的、調(diào)查計劃、調(diào)查內(nèi)容、調(diào)查記錄、調(diào)查總結(jié)和結(jié)果評價，以使活動收到預(yù)期的效果。 4．開展多種形式的交流活動，培養(yǎng)學(xué)生的互助合作精神。 教科書中安排了角色扮演活動，這種活動學(xué)生會比較感興趣。學(xué)生根據(jù)自己所扮演的角色，去了解這種角色的心聲，然后進行交流，可以提高對某一問題的認識。這種活動既可以培養(yǎng)學(xué)生收集、整理資料的能力，又可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)表自己見解的能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的合作精神等。 三維目標 1．知識和技能 (1)要求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。 2．過程和方法 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(xué)。 3．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(xué)生的社會責任感。 (2)積極開展社會調(diào)查活動，提高學(xué)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(xué)生的互助合作精神。 學(xué)習重點 常見合金的重要作用。 學(xué)習難點 金屬材料的正確使用。 導(dǎo)入新課 學(xué)生打開元素周期表，數(shù)出金屬元素和非金屬元素的種類，得出金屬元素占大部分，常用金屬元素只有少數(shù)，最常用的也只有幾種(Cu、Fe、Al等)。日常生產(chǎn)生活中普遍使用的也就是這幾種金屬制成的材料：銅合金、鐵合金、鋁合金等。今天我們就來學(xué)習用途廣泛的金屬材料。 [展示]讓學(xué)生把課前準備的各種各樣的金屬材料都拿出來，同時用多媒體投放幾張圖片： 推進新課 [教師講解]材料發(fā)展的歷史，從生產(chǎn)力的側(cè)面反映了人類社會發(fā)展的文明史，歷史學(xué)家往往根據(jù)當時代表性的材料將人類社會劃分為石器時代、銅器時代和鐵器時代等。 [投影] 材料 [設(shè)問]同學(xué)們帶來的金屬材料都不是純凈的金屬，都是什么？ 概念：兩種或兩種以上的金屬(或金屬跟非金屬)熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì) 合金與各成分金屬的熔點和硬度的比較：一般硬度大于各成分金屬，一般熔點低于各成分金屬。 [舉例](1)純鐵和鋼硬度比較(純鐵質(zhì)軟) (2)碳、純鐵和生鐵的熔點比較(分別為3 000 ℃、1 534 ℃、1 200 ℃) [小結(jié)]合金物理、化學(xué)機械性能優(yōu)于各成分金屬，這就是日常生產(chǎn)生活中為什么很少使用純金屬的原因。下面我們學(xué)習常見合金及其用途。 1．銅合金：(課前安排有條件的同學(xué)上網(wǎng)百度搜索：青銅百科、黃銅百科、白銅百科) [學(xué)生閱讀]學(xué)生站起來大聲閱讀摘錄的有關(guān)青銅、黃銅、白銅的知識，主要內(nèi)容如下： 青銅百科：青銅是人類社會最早出現(xiàn)的合金，它是銅和錫、鉛的合金，也是金屬冶鑄史上最早的合金。青銅發(fā)明后，立刻盛行起來，從此人類歷史也就進入新的階段——青銅時代。 一般把中國青銅器文化的發(fā)展劃分為三大階段，即形成期、鼎盛時期和轉(zhuǎn)變期。 黃銅百科：黃銅是最常見的銅制品，它是由銅和鋅所組成的合金。有普通黃銅和特殊黃銅之分。黃銅一詞專指銅鋅合金，始于明代，通過對明代銅錢成分的分析，發(fā)現(xiàn)《明會典》中所說的鑄錢中真正意義上的黃銅的出現(xiàn)較其他幾種銅合金晚很多，這是因為黃銅中金屬鋅的獲得比較困難。 白銅百科：白銅是以鎳為主要添加元素的銅基合金，呈銀白色，有金屬光澤，故名白銅。白銅的發(fā)明是我國古代冶金技術(shù)中的杰出成就。17至18世紀，鎳白銅大量傳入歐洲，并被視為珍品。稱作“中國銀”或“中國白銅”，對西方近代化學(xué)工藝曾起過巨大影響。 [設(shè)問]同學(xué)們想一想，現(xiàn)代日常生產(chǎn)生活中用途最為廣泛的金屬材料是什么？ 2．鐵合金：生鐵和鋼 [投影] (1)生鐵：含碳量在2%～4.3%之間，還含有硅、錳及少量硫、磷?？设T不可鍛。 (2)鋼的分類、特性和用途： 鋼 主要合金元素 特性 用途 碳素鋼 低碳鋼 含碳低于0.3% 韌性好 機械零件鋼管 中碳鋼 含碳低于0.6% 韌性好 機械零件鋼管 高碳鋼 含碳0.6%～2%之間 硬度大 刀具、量具、模具 合金鋼 錳鋼 錳 韌性好、硬度大 鋼軌、軸承、坦克、裝甲等 不銹鋼 鉻 抗腐蝕 醫(yī)療器械 硅鋼 硅 導(dǎo)磁性 變壓器；發(fā)電機芯 鎢鋼 鎢 耐高溫、硬度大 刀具 [提問](1)鐵合金的分類是以什么為標準的？(含碳量) (2)鋼的含碳量與韌性、硬度的關(guān)系(含碳量越高，韌性越差，硬度越高) [辨別]學(xué)生帶來的鐵制品哪些是生鐵，哪些是碳素鋼、不銹鋼？ [說明](1)普通鐵鍋、鉛球、鐵柵欄等是生鐵制品 (2)建筑業(yè)中所用的鋼筋屬于碳素鋼，根據(jù)質(zhì)量要求不同含碳量不同 (3)普通刀具、老虎鉗、扳手屬于高碳鋼 (4)塑鋼不是金屬材料，是聚甲醛，屬于有機高分子材料 [設(shè)問]除了鐵制品，還有哪些常見的金屬材料？ [投影]3．其他常見合金 鋁合金：具有密度小、強度大等優(yōu)點，主要用于汽車、飛機、火箭、船舶制造。 鈦合金：含鋁6%，釩4%，具有密度小、強度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點，主要用于飛機、火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等尖端領(lǐng)域。 [聯(lián)系時事]嫦娥一號奔月工程中與金屬材料有關(guān)的問題。 [多媒體] [鏈接]從一則新聞報道的片斷中看金屬材料在衛(wèi)星和火箭上的應(yīng)用： 5家配套單位直接參與嫦娥工程的項目負責人接受記者采訪：探月衛(wèi)星和火箭80%以上鋁鎂材料由東輕生產(chǎn)。 東輕公司總經(jīng)理助理、銷售公司總經(jīng)理告訴記者，曾被確定為“神舟”系列飛船鋁鎂合金材料指定生產(chǎn)廠家的東輕，此次又被指定為“嫦娥”系列工程鋁鎂合金材料供應(yīng)廠家。嫦娥一號衛(wèi)星的“筋骨”——結(jié)構(gòu)部件，“長三甲”火箭的推進器、整流罩、火箭筒體、連接環(huán)等部件使用大量的鋁鎂合金材料都是由東輕制造的。 [投影]月球上有哪些豐富的礦產(chǎn)資源？ 月球的礦產(chǎn)資源極為豐富，地球上最常見的17種元素，在月球上比比皆是。以鐵為例，僅月面表層5厘米厚的沙土就含有上億噸鐵，而整個月球表面平均有10米厚的沙土。月球表層的鐵不僅異常豐富，而且便于開采和冶煉。據(jù)悉，月球上的鐵主要是氧化鐵，只要把氧和鐵分開就行；在月球表層，鋁的含量也十分豐富。 [簡介]記憶合金(主要是鎳鈦合金材料)在月球上的應(yīng)用： 1969年7月20日，“阿波羅”11號登月艙在月球著陸，實現(xiàn)了人類第一次登月旅行的夢想。宇航員登月后，在月球上放置了一個半球形的直徑數(shù)米大的天線，用以向地球發(fā)送和接收信息。數(shù)米大的天線裝在小小的登月艙里送上了太空。天線就是用當時剛剛發(fā)明不久的記憶合金制成的。用極薄的記憶合金材料先在正常情況下按預(yù)定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團，裝進登月艙帶上天去。放到月面上以后，在陽光照射下溫度升高，當達到轉(zhuǎn)變溫度時，天線又“記”起了自己的本來面貌，變成一個巨大的半球形。 [思考]金屬材料的使用與化學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)，人類社會較早使用了金、銀、銅，后來發(fā)展到鐵制品的廣泛應(yīng)用，近現(xiàn)代又大規(guī)模使用鋁制品，繼而有更多新型的金屬材料問世，這與哪些方面的因素有關(guān)？ (1)與金屬的活動性有關(guān) (2)與冶煉技術(shù)的發(fā)展有關(guān) (3)與社會需求有關(guān) [過渡]各種各樣的材料琳瑯滿目，從經(jīng)濟學(xué)角度講不能大材小用，更不能胡亂使用，好鋼用在刀刃上。 [思考]相同截面積的銅導(dǎo)線比鋁導(dǎo)線的導(dǎo)電能力強。為什么高壓遠途輸電時選用鋁線，而不是銅線？ (1)鋁密度小 (2)鋁資源豐富 (3)鋁的耐腐蝕能力強 [角色扮演]就是否應(yīng)該停止使用鋁質(zhì)飲料罐組織小組討論，最后小組推薦代表發(fā)言。 角色扮演：開采鋁礦的工人、生產(chǎn)鋁質(zhì)飲料罐的工人、飲料公司的老板、售貨員、消費者、環(huán)保局的官員、回收公司的人員 討論過程中可能涉及的部分因素：鋁的性質(zhì)適宜制造飲料罐、鋁礦的儲量較豐富、鋁廢棄后會污染環(huán)境、鋁制品的使用對人體有害、使用鋁質(zhì)飲料罐很方便、開采鋁礦會對環(huán)境造成破壞、可以用玻璃瓶代替鋁質(zhì)飲料罐、玻璃瓶攜帶不便與易碎性、碳酸飲料對容器的質(zhì)量要求、塑料容器的使用問題等。 [提問]日常生活中涉及的鋁可能對人體產(chǎn)生危害的習慣有哪些？ (1)使用鋁制品炊具 (2)用鋁箔包裹食品 (3)炸油條 (4)明礬凈水 (5)用氫氧化鋁治胃病等 課堂小結(jié) 使用任何材料都有利有弊，禁止使用鋁質(zhì)飲料罐是不現(xiàn)實的，重要的是要充分利用好礦產(chǎn)資源，人人樹立環(huán)保節(jié)能的意識，同時努力研發(fā)新的無污染、資源消耗少的替代品才是正確的發(fā)展思路。 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(或上網(wǎng)查詢)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(dǎo)電性)　(4)化學(xué)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 [總結(jié)]以金屬材料面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對策略，激發(fā)學(xué)生的社會責任感作為本節(jié)課的總結(jié)。 [投影]1．金屬材料面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對策略： (1)外部壓力：高分子材料的崛起，尤其是工程塑料，性能優(yōu)越、原料豐富、價格便宜，產(chǎn)量以驚人的速度增長 (2)內(nèi)部壓力：主要的金屬礦產(chǎn)資源日漸緊張，高品位的礦產(chǎn)減少很快，低品位的礦產(chǎn)使能源消耗和成本增加，金屬工業(yè)是能源的最主要的消耗者，也是嚴重的環(huán)境污染者 2．應(yīng)對措施： (1)對已有的金屬材料要最大限度地提高質(zhì)量，挖掘它的潛力，使其產(chǎn)生最大的效益 (2)開拓金屬材料的新功能，以適應(yīng)更高的使用要求 (3)加強廢舊金屬的回收和再利用 [激勵]有責任感的同學(xué)要明確自己的目標，奮發(fā)學(xué)習、努力進取！ 1．稀土元素 稀土元素是鑭系元素系稀土類元素群的總稱，包含鈧Sc、釔Y及鑭系中的鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu、釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm、鐿Yb、镥Lu，共17種元素。稀土元素能與其他元素組成品種繁多、功能千變?nèi)f化，用途各異的新型材料，被稱為“現(xiàn)代工業(yè)的維生素和神奇的新材料寶庫”。 我國稀土資源占世界稀土資源的80%，以氧化物(REO)計達3 600萬噸，遠景儲量實際是1億噸。我國稀土資源分南北兩大塊。 北方：輕稀土資源，集中在包頭、白云鄂博特等地，以后在四川冕寧又有發(fā)現(xiàn)。主要含鑭、鈰、鐠、釹和少量釤、銪、釓等元素。 南方：中重稀土資源，分布在江西、廣東、廣西、福建、湖南等省，以罕見的離子態(tài)存在于花崗巖風化殼層中，主要含釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、釔和鑭、釹等元素。 稀土的神奇特性，也是被人們逐漸認識的。發(fā)展到現(xiàn)在，稀土已經(jīng)從應(yīng)用于冶金、機器、石油、化工、玻璃、陶瓷、紡織染色，皮草鞣制和農(nóng)牧養(yǎng)殖業(yè)等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中，逐漸發(fā)展到光、電、磁多功能高科技新材料中。在鋼、鐵有色金屬中，添加微量稀土，可以明顯地提高金屬材料的性能；稀土球墨鑄鐵管比普通鑄鐵管的強度高5～6倍。稀土添加到某些鋼中，可以明顯提高鋼材的強度、耐磨性和抗腐蝕性，稀土鋁導(dǎo)線不但提高強度20%，而且還提高2%～4%的導(dǎo)電性能。稀土微肥和稀土復(fù)合肥，可提高作物產(chǎn)量，并可增加作物的抗病性能。 稀土作為基體元素能制造出具有特殊“光電磁”性能的多種功能材料，如稀土永磁材料、稀土鎳氫電池材料、稀土熒光材料、稀土催化劑、稀土激光材料、稀土精密陶瓷材料、生物工程材料等，它們都是發(fā)展電子信息產(chǎn)業(yè)、開發(fā)新能源、治理環(huán)保和國防尖端技術(shù)等方面必不可缺少的材料。例如稀土永磁材料(釹鐵硼永磁)是當今磁性最強的永磁體，它被稱為“一代磁王”。稀土永磁材料現(xiàn)已廣泛的用到了微型電機，工業(yè)用電機、風力發(fā)電機、音響設(shè)備、儀器儀表，航天航空通訊，醫(yī)用核磁共振成像儀等方面。 稀土永磁材料用于電機，可使設(shè)備小型化、輕型化，同等功率的電機，體積和重量可減少30%以上。用稀土永磁同步電機代替工業(yè)上的異步電機，節(jié)電率可達12%～15%，真正的稀土三基色熒光燈代替白熾燈，節(jié)電率可達到80%。稀土金屬鹵化物燈已被大量用于城市廣場、體育場館和高層建筑的美化泛光照明。這些新型電光源不但節(jié)電效果明顯。而且大大提高了照明質(zhì)量，其生產(chǎn)過程也減少了污染，被稱作“綠色照明”。彩色電視正是采用了稀土三基色熒光粉，才能獲得彩色逼真的畫面。稀土鎳氫電池，可以充電而無記憶效應(yīng)，代替了有污染的鎳鎘電池，被稱作無污染的“綠色電池”。它已廣泛用于移動電話、筆記本電腦等設(shè)備上。各種稀土功能材料，在航空、航天和尖端國防技術(shù)上，如雷達、偵查衛(wèi)星、激光制導(dǎo)和自動指揮系統(tǒng)等方面都獲得了廣泛的應(yīng)用。 稀土在高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，與其工業(yè)技術(shù)發(fā)達程度成正比。美國的稀土用量一直居世界第一位，日本、英國、法國、德國等工業(yè)發(fā)達國家都沒有稀土資源，但他們都有很先進的稀土應(yīng)用技術(shù)。美國認定的35個戰(zhàn)略元素和日本選定的26個高技術(shù)元素中，都包括了全部的稀土元素。所以稀土被稱為神奇的稀土。