關于改進作業設計的看法和建議之一

宋心琦

摘要：認為改進學生作業是一個值得著力解決的問題。列舉了幾個在初等化學教學中曾經和現在仍然存在的問題，依據化學學科的特點和基本概念介紹了一些看法，以豐富作業設計改革的內容和途徑。

關鍵詞：作業設計；物理變化；分散系；金屬

文章編號：1005–6629（2014）9–0007–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

繼化學實驗改革研討之后，《化學教學》編輯部繼而把改進學生作業問題的探討提上了日程，我認為這是一個非常有遠見的創議。由于作業是一個不可缺少的教學環節，同時又是存在著諸多差強人意的教學環節，因而是一個值得認真研討的問題。雖然在廣大教師中對此關注并不斷進行研討者不在少數，遺憾的是，由于缺乏有效的和研討式的交流平臺，老師們各自積累的豐富資料和有益經驗，卻因具有很高的分散性和局域性，難以實現更廣范圍的交流與共享。因此，有效地進行提煉和整合，是一個值得著力解決的問題。雖然在已頒布的中學化學（包括初中和高中化學）課程標準中，對學生作業的基本要求均有所提及，但是內容和要求卻不像對學科知識和技能內容的要求那樣具體，這和作業本身的特點有關，難以求全責備，從另一方面來看，也因此給廣大教學研究人員和教師留下了深入研討、創造和實踐的空間。通過這個研討活動，可以進一步激發廣大教師的教學改革熱情，更有效地實現師生互動，從而進一步地體現出教學改革的生命力和有效性，故而應當得到化學界及廣大師生的支持和關注。

就中學化學教育來說，課堂教學和課（內）外作業，是相互依存和相互補充的不可分割的兩個方面，但是二者的教育功能并不等同。這是因為課堂教學往往以教師的引導和啟發為主，由于受到課時和學生人數的限制，學生的主動性難以充分發揮；作業的內容與預設要求雖然基本上也必須由課程標準、教材和任課教師設定，但是學生在完成作業時（特別是課外作業時），所需時間、思考方向、參考與問詢的深度與廣度等，均具有更大的自主性，因材施教的可能性和選擇性都能夠較好體現。如果允許學生在指定的學習或探索方向下具有更大的自由度，學生的興趣和創新意識將得以提升。我們期望的所謂“舉一反三”和通常說的“師傅引入門，修行在個人”將有可能成為現實。由此可見，作業的設計和學生完成作業過程的重要性不言而喻。

近期在《化學教學》上連續發表了多篇理論性文章[1，2，3，4]，比較系統地闡述了在研討有關問題時的幾個主要方向，起了很好的指導引領作用，值得認真閱讀和思考。學習之余，我認為在研討這個問題時，還有一個方面的工作值得兼顧，那就是結合課程標準和教學來研討和認定中學化學學科的核心概念和基本原理，并且主要在這個基礎上進行作業設計和改革，也能有利于提高課程教學的有效性。根據個人的了解，就中學化學教學中的學科概念問題提出幾個有關的看法和建議作為引玉之磚，希望經過老師的研討和修正之后，能夠為探討作業設計改革提供一點參考。

1 化學物質物理變化的認識誤區

什么是物理變化？指的是物質的物理性質（包括聚集狀態）的變化，本來是一個簡單的問題，但是由于過度思考，超越了化學學科，竟然成了一個模糊不定、眾多爭議的問題。以至于種種似是而非的習題進入了教材和教輔，甚至成為中考試題之一。它的后果是，使得剛剛接觸化學的初中學生感到莫衷一是，有如陷入概念迷宮之中！雖然物理變化本身并非最重要的化學概念，而且化學教材在對物質的物理性質下定義時，并沒有把物體所處的時間、空間，人為改變后的形狀、質量或數量列入物理性質之中，但是并不表示大家對這個概念的界定達成了共識，這是一個值得澄清的學科概念。

化學是通過物質的性質以及在給定條件下性質的變化（包括物理變化和化學變化）來識別物質的，而且是在原子分子水平上來進行的。所以，化學認為水的三態間的互相變化屬于“純粹的”物理變化，因為水分子的組成和結構沒有改變。而木料做成桌子、玻璃盆子摔成碎片等等諸如此類的事件在化學學科的視角下，都不能視為化學物質的物理變化。

試想，如果木材做成桌子、玻璃盤子摔成碎片都屬于物理變化，那么火車開動、伸腿彎腰也都是物理變化了。其實這些僅僅包含著人為地改變物體形狀、大小、單個物體的質量以及空間位置的事例，因為沒有改變所涉及物質基本微粒的組成和結構，亦即木料的材質、玻璃的成分和內部結構都沒有發生變化，因此它們的基本性質，包括物理性質和化學性質都不會發生變化。也就是沒有發生化學變化和物理變化。其實在人們對“紅木”家具、純“棉”織物、“不銹鋼”炊具等等的敘述中，已經隱含著材質不因加工而改變的認識啊。

產生這種爭議的原因在于脫離了化學，忘記了化學是在原子分子水平上來認識、識別和鑒別物質的一門科學，當我們介紹物質的物理性質時，難道要附加它存在的空間位置和數量的多少嗎？我們會認為在進行化學實驗時所取試樣的數量或形狀會對認識物質的性質產生影響嗎？會認為微型實驗、常規實驗以及工業規模下的同一種化學物質，以及它們在同一種反應中的化學本質應該有所不同嗎？

物理變化概念的超越化學，不利于初學者牢固地把握與化學密不可分的微粒觀的建立。何況微粒觀對于初學者來說，因為無法親身感知原本就感到抽象難懂啊！

最近見到一則介紹氧單質顏色的報告，可以說明科學技術的發展，能夠不斷地擴展人們對物質物理性質的認識范圍，并且有效地彌補了依靠自身感知來認識物質的物理性質和變化能力的不足。供老師們參考。

附：多彩的氧（該信息取自《Scientific American》2012年的一篇報道）

我們知道空氣中的氧是無色的，也許聽說過液氧呈淺藍色，但是不一定知道或想到氧還可以呈現為粉紅色、橙黃色、紅色、黑色，甚至于金屬態。在常壓下，液氧經冷卻轉化為固態時，晶體呈藍色。當增加或降低所施壓強時，由于發生相變，固態氧的結構和顏色隨之而變。固態氧的物相目前已知的有6種：

（1）α-相：淺藍色，形成于1 atm低于23.8K時，單斜晶系。

（2）β-相：淡藍至粉紅色，形成于1 atm低于43.8K時，斜方晶系（于室溫和高壓下轉變為氧4分子tetraoxygen，O4）。

（3）γ-相：淡藍色，形成于1 atm低于54.36K時，立方晶系。

（4）δ-相：橙黃色，形成于室溫和壓強為9 GPa時。

（5）ε-相：暗紅至黑色，形成于室溫和壓強高于10 GPa時。

（6）ζ-相：金屬態，形成于壓強大于96 GPa時。

（7）O4為過渡態；O8是穩定的，呈紅色；氧的金屬態具有超導性。

2 為什么溶液成為初等化學中的一個重要知識點

有關溶液的知識點包括了溶液的形成、溶液的濃度、一定濃度的溶液的配制方法（包括配料計算和配制，以及容量瓶和天平的使用等），并延伸到化學物質的溶解度和飽和溶液（包括溶解度和溫度的關系——溶解度-溫度曲線的應用等），溶解過程和結晶過程等一系列知識點和實驗。形成了一個知識結構完整、邏輯關系明晰的“知識板塊”。只有明確了這個知識板塊內知識點之間的邏輯關系，同時充分認識到有關溶液的知識在化學學科的學習和應用中的重要性，才能真正地組織好教學過程，而且其中有很多認知過程必須配合實驗或實際生活中的體驗才能真正地完成。

就一般的化學反應而言，在選定反應物之后，常用以調控反應進程（包括速率和產物）的手段，不外乎壓強、溫度、濃度和催化劑。由于催化劑需要通過繁復的篩選過程才能確定，并非唾手可得，而且目前還沒有發現對于全部或大部分化學反應過程都有作用的催化劑，所以催化劑不能歸入初學者經常使用的調控手段之列。于是在初等化學中，由于儀器設備的原因，能夠演示壓強對化學反應過程和結果的影響的體系寥寥無幾，更多的時候是通過實際的事例（如氨的合成）和化學平衡計算研習來體現壓強的作用。只有溫度和濃度才是中學化學實驗中最常用到的調控手段。依靠酒精燈或其他簡單方法加熱時，對溫度的調控一般不要求精確，也不容易做到精確，唯有濃度，特別是溶液的濃度，才是比較容易實現、而且能夠較為精確地對反應進程加以調控的因素。應當通過作業強化對濃度重要性的認識，不僅止于計算和換算。

其次，把體積龐大、容易因擴散而泄漏的氣態反應物，和因接觸面積小密度差別大、需要不斷地進行強力攪拌的固態反應物，用適當的溶劑把它們轉化為溶液后，既具有流動性，又可以使反應物以分子（或離子）狀態，均勻地分散在溶劑之中，而且在溶液內的任何一處發生的反應，都可以代表整個體系，與所取溶液的體積無關（這就是在做實驗時，更應當關注的是反應物的大致比例，而不是所取試劑溶液的體積。實驗講義上建議的用量，除考慮到反應物的計量關系外，還要求初學者逐步養成用盡可能少的試劑來完成實驗的習慣，做到物盡其用）。因為溶液中的化學反應是反應物以分子或離子狀態參加的反應，所以只有溶液的濃度才能最直接地反映出它們在發生反應時的有效濃度。以溶液狀態進行反應時，反應體系的體積不是由所在容器決定，而是由溶液的體積決定的。在反應的整個過程中，雖然反應物和生成物的濃度一直在改變，但是每個瞬間的平均濃度將都有確定值。在研究反應的動態過程時，這是一個非常重要的特點，它意味著在所涉及的瞬間，濃度不僅可知，而且可以視為“不變量”。變量的減少，有助于減少實驗結論的不確定性。

由溶液濃度延伸出來的溶解過程的自發性和溶解度概念，是化學中極為重要的概念。前者屬于自然界的一個普遍存在的現象，它不僅是水源組成和所處地理環境密切相關的必然結果，也是半導體摻雜、合金熱處理等工藝的理論依據。表現為溶質溶解和通過擴散達到在溶劑內均勻分布自發性（在高中化學選修模塊“化學反應原理”中會把這個現象的本質理論化）。

在配制一定溶質質量分數的溶液時，要反復提醒學生注意觀察和思考固體溶質溶解的自發性現象和液體溶質在溶劑中的自動溶解、混合、擴散和均一化現象，這是溶液和氣體分散系以外的其他分散系（如懸濁液、乳濁液、膠體溶液，包括現實生活中遭遇的陰霾、霧霾、沙塵暴等）的基本區別。后者的形成，不僅往往要借助外力，而且形成的分散系屬于熱力學不穩定體系。在放置過程中，它們的分散均勻程度會自動下降（例如沙塵暴可以成為某個地域的環境問題，卻不會成為全球性的污染源）。通過溶液和其他分散系在形成過程和穩定性的比較，可以加深對溶液的認識和了解溶液與其他分散系的根本區別。

在選定適當的溶劑后，物質的溶解過程雖然具有自發性，但是不同的物質在同一種溶劑中的“最大”溶解量并不相同，亦即存在著飽和現象[能夠像水和乙醇、乙二醇、甘油（丙三醇）、乙酸等這樣無限混溶的體系在初等化學中不是很多，可暫不考慮]，于是根據溶液達到飽和時溶劑和溶質的數量（體積或質量，或物質的量）比率關系，演化成為溶解度的概念，并進一步得出溶解度與體系溫度間的依變關系。有趣的是，從溫度溶解度曲線可以看到，不同物質在水中溶解度和溫度之間的關系及變化趨勢并不完全相同，從而使得這種差別可用于物質分離和提純，并成為一種普遍采用的方法。從溶解度概念到結晶法成為一種應用廣泛的分離提純方法，其間的邏輯關系和認知發展途徑的脈絡，十分清晰。這種思維訓練，在初等化學教學中，是非常難得的學科載體之一。如果只關注溶液濃度換算、溶解度計算和容量瓶配制一定質量濃度的溶液實驗中的基本操作，而不是把它們之間的邏輯關系理順，學生可以學到一個個孤立的知識，卻難以真正領會這個知識板塊所包含的極為豐富的學科內容和科學教育的內涵。應當承認，以往的作業設計和要求在這方面是需要進一步關注和強化的。

3 關于分散系的識別問題

分散系在初等化學階段，并不是一個重要的化學知識點。但卻是一個和學生日常生活密切相關的知識點，因而也是一個便于設計學科作業的知識點。

在介紹關于分散系的基本知識時，如果注意到通過加強對溶液知識的學習與理解，同時通過溶液和其他分散系的根本區別來強化對溶液體系的認識，反而有利于對其他分散系的了解。如若不能做到這點，不能厘清它們以及它們和溶液體系之間的差別與聯系，各類分散系便會成為一個個孤立的知識點。日常生活中存在的分散系很多，形式和種類豐富而且便于感知，當學生在學習有關知識后，能夠從化學的角度來認識和分析周圍有關的分散系，如有關氣象、大氣污染、污水凈化到生活中經常遇到的懸濁液、膠體溶液等。包括墨水、膠水、泥漿以及膨化制品和食品等。通過對它們的制備、應用和存放條件等的分析和了解，將有助于獲得科學技術源于生活但又高于生活的體驗。

從分散系形成時的自發性和非自發性來區分真溶液和其他分散系，屬于化學學科的基本要求，也是選擇或了解制備目標分散系工藝方案的基礎。建議強化這方面的作業（包括實驗、習題以及有針對性的討論和探究）。溶液之外的其他各類分散系，基于它們的不穩定性（或介穩性），有關加速破壞或延緩其“穩定性”的方法和效率，都可以成為學生作業的內容。包括學習有關資料和動手進行探究等方面。

丁達爾效應是膠體溶液（包括氣溶膠在內）因分散質粒子對入射光的散射而產生的光學效應。是否出現光柱和光柱的顏色，取決于分散質粒子的直徑大小和分布。由于膠體分散系中膠粒產生的散射光頻率恰好處于可見光的范圍，當粒度分布范圍較廣時，多種頻率并存的散射光最后合成為白光。如果能夠使得膠體溶液中的膠粒粒度局限在某個較窄的范圍內，散射光可以成為有色光，甚至散射出較純的單色光。當溶液體系中的溶質分子具有類似于膠粒的粒徑（例如聚合度適當的高分子化合物在溶劑中形成的分子溶液，常見的如聚乙烯醇的水溶液）也可以觀察到丁達爾效應。而且已經發展成為測定高分子化合物平均分子量的有效方法。所以丁達爾效應不能作為分散系是否一定是膠體溶液的依據，就這個問題，可以設計出多種形式的饒有趣味的作業。

附：美國加州大學Riverside分校的三位華人化學家發現，可以利用外磁場強度的變化，改變納米Fe3O4（用聚丙烯酸修飾后帶有負電荷）膠體溶液中膠粒的聚集狀態，從而顯示出不同的色彩[5]。據認為有可能成為一種工藝和結構都非常簡易的顯示器件。丁達爾效應成為實現磁致變色體系的核心技術，不僅非常有趣，而且可能發展成為能耗和維護成本極低的一種新技術。圖1為該研究小組提供的試驗結果。

由這則科技信息，可以提高學生對分散系和膠體溶液的學習質量和興趣，也可以為設計不同層次的化學作業提供事實依據和實驗探究方案的參考。

（1）為什么Fe3O4膠粒的聚集狀態可以用外磁場強度來調控？

（2）為什么這種體系必須是膠體體系？

（3）膠粒的聚集狀態改變為什么能夠改變體系在高亮度白光照射時所顯示的顏色？

4 化學反應激烈程度和金屬化學活潑性關系沒有必然的相關性

初等化學的主要任務是進行化學學科的啟蒙教育，它之所以必不可少，在于它的研究對象、研究方法和學生已經學過的物理學、生物學，以及不太系統的天文學和自然地理學有所不同。化學以和人類社會的物質生活緊密相關的化學物質為主要研究對象。這里所說的化學物質，不僅包括已經存在于自然界的化學物質，還包括自然界并不存在的，由化學家以現有物質為原料制造出來（或可能制造出來）的新物質，而且后者的數量和所能體現的功能可能遠遠超出前者。所以化學研究不僅著力于發現，還致力于創造，最能體現出人類的智慧和創造力！更為令人感到神奇的是，對于數量近于天文數字的化學物質，其組成和結構的研究可以歸結為對總數百個左右化學元素性質的認識和反應性能的調控。化學元素之間的結合規律-化學鍵理論并不復雜，當化學物質的組成比較復雜時，組成元素原子之間的空間排布對原子之間相互作用的影響，化學結構理論，也不很復雜。化學鍵理論和化學結構理論可以幫助我們認識或預見化學物質間存在差異性的物理因素，但是至今尚無法對這種差異導致的物理性質和化學性質的差別做出比較完備而且可靠的判斷或推測。所以化學的學科研究工作中除去理論方法的研究外，無不依賴實驗工作來完成，這是化學至今仍然是一門實驗性科學的原因。

基于以上的原因，由于化學物質數量龐大，反應類型雖然屈指可數，但是反應過程及產物卻對外界條件甚至反應物本身的狀態（例如固體的分散程度、溶液的濃度等）十分敏感，甚至近乎無規律可循的情況。這從另一個角度表明了化學是一門正在發展中的科學，是一門基于百十個化學元素而作為研究對象的化合物卻可能達到1014量級[6]（目前已知的化合物數仍在107的量級）的科學，因此從組成結構和性質間都存在差異的近乎天文數字的研究對象中，探索具有普適性的客觀規律是一項正在進行且遠未完成的艱巨任務。眾多的機會和嚴峻的挑戰，意味著化學是一門正在蓬勃發展的基礎科學，也正是化學引人入勝之處。對于初學者而言，涉及的化學知識和化學物質并不很多，可是很難做到像初等物理學那樣依據為數不多的基本定律，就可以認識并探究大量相關的物理現象。這是初等化學教學中應當著重研究和力求解決的問題。也許是為了減輕學生學習時出現的困惑，很多沒有經過大量實驗證實的、以偏概全或概念模糊的所謂“規律”，在正式教材中雖然罕見，但在坊間出版的教輔一類學習材料之中卻屢見不鮮，甚至于自詡為“應試寶典”。這種做法，不僅不能真正解決初等化學教學中的困惑，由于模糊了對化學學科任務和方法的認識，對于化學教學特別是后繼課程的學習將會導致不必要的困擾。把“例外”作為某些“規律”失效時的借口和師生們此時感到尷尬的心態，只會留下事與愿違的遺憾。我認為在解決這個問題的過程中，厘清學科概念和某些規律的理論或實驗依據是關鍵的一步，應當引起我們的重視。只要我們肯面對問題，有關的實例并不難找到。不要把金屬活潑性和反應激烈程度理所當然地直接相關聯，就是其中的一例。

金屬活動性順序在初等化學中是一個有趣、而且運用時比較容易得心應手的重要知識點。首先因為元素周期表中金屬元素的數目遠遠超過非金屬元素，除汞之外，它們的單質在通常條件下均呈固態，可以直接觀察和測量；其次因為它們的鹽溶于水中后大都會發生電離，這時將以離子形式存在。用簡單的試管實驗，就可以通過A金屬元素的單質是否能夠對B金屬元素的離子發生置換反應來比較A和B金屬的氧化還原性（或曰金屬活動性）的強弱。置換反應發生時，產物首先沉積在金屬性較強的金屬表面上，底物表面和置換產物的形貌、顏色，甚至于變化過程都可以清晰地觀察到，足以引起實驗者極大的興趣。由此擴展得出的包括十幾個常見金屬元素的金屬活動性順序，不僅應用起來得心應手，讀來更是瑯瑯上口，便于記憶。因而成為初中化學中最為師生喜愛的一個知識點。

在綜合幾個典型的金屬置換反應的實驗現象時，教學中把金屬活動性和置換反應發生時的“激烈程度”相關聯的做法很普遍，甚至認為二者存在必然的相關性。雖然實驗中確實可以觀察到金屬鈉和水作用時的“激烈”和鋅、鐵置換硫酸銅或硝酸銀中的銅或銀時的“平靜和緩”，以及在和鹽酸作用時，鋅片上產生氫氣的“激烈程度”可能高于鐵等等。似乎上述的關聯并沒有什么問題，反而有利于學生強化對金屬活動性順序的記憶。但是從化學學科概念來看，盡管上述實驗現象都是事實，仍然應當承認這種關聯在基本概念上是不存在的，即反應激烈程度和金屬化學活動性沒有必然的相關性。先入為主的錯誤認識，會對后繼學習產生負面的影響。值得引起我們的注意。

從實驗中得出的金屬活動性順序，在電化學完成了對氧化還原電勢的理論構建和實驗測量方法的規范化之后，得到了證實和完善。不僅對原有順序作了必要的調整，而且使得一些無法通過簡單置換反應進入金屬活動性順序的金屬元素找到了它們在序列中的“位置”。此外還可以通過簡單的計算確定金屬離子濃度、溫度和介質酸堿性對金屬元素在序列中位置的影響。

氧化還原電勢的差別，是推動電子發生定向轉移的推動力，相當于初等化學中所說的“活動性”。但是反應速率（反應激烈程度）卻是由單位時間內氧化劑從還原劑得到的電子數量決定的。亦即和固態反應物的表面狀態（包括少量外來或內含雜質的種類及分布，產物形態等）有關，二者并不存在必然的相關性，例如（還原）鐵粉不僅在酸中能夠迅速溶解，甚至在空氣中可以自燃，改用質量相同的鐵片或鐵屑時，在相同的條件下就觀察不到類似的現象）。和電池放電情況相似，兩極間的電流值的大小是由外電阻的高低決定的。并非電池兩極電勢差越大，電流值就一定越大。所以應當嚴格區分決定金屬元素的氧化還原電勢差的熱力學因素，和影響反應速率的動力學因素。類似的情形在日常生活中也可以找到，由此可見，區分事物的起因和過程，分別采取不同處理方法的思維訓練，有利于提高學生的科學素養。三維教育目標在此也得以體現。

如果對于金屬活動性順序的認識，僅限于比較金屬單質及其離子氧化還原能力的強弱，以及對給定的置換反應是否能夠實現做出判斷，是不夠的。它還可以用于無機制備方案的設計，例如利用金屬置換反應制備氫氣時，什么時候可以選擇水作為氫源，什么時候可能要用鹽酸或稀硫酸，以及哪些金屬是無法實現這個反應的等，都和金屬在活動性順序中的位置直接相關。其次，初中化學對金屬單質的制備方法是分別進行的，如水溶液中實現的置換法（水法冶金工藝之一）；用碳在高溫下還原金屬氧化物的方法（火法冶金工藝之一）；以及在水溶液或非水溶液中通過電解制備金屬的方法，前者如電解硫酸銅溶液制銅，后者如電解溶于冰晶石熔融液中的氧化鋁制鋁或電解熔融氯化鈉制鈉等（電冶金工藝），大致涵蓋了制取金屬的幾類基本方法。如果把這些個例和金屬活動性順序相關聯，不僅可以對零散知識進行整合，還可以對這幾種方法還原能力的強弱獲得初步的認識。在遇到那些在金屬活動性順序表中沒有列入的金屬元素時，由制備工藝可以推測它的活動性和表中哪些金屬大致相近；反之，從某個金屬元素在周期表中的位置，其單質的制備方法可以由鄰近元素的制備方法獲得啟示。應當注意到，在上述制備方法中，電解法是一種普遍適用的方法。電解方法的氧化還原能力源于與化學物質無關的外加電勢，它并非來自“天賜”，而是人類智慧的產物。科學技術對社會進步的價值在此體現得最為突出。由此可見，金屬活動性順序的學習對氧化還原反應的理解應用，可以起到以綱舉目張的作用。

5 AB合金的熔點不一定比A金屬和B金屬都低，鋼比鑄鐵更容易發生電化學腐蝕

在初等化學課程標準中，合金是一個附屬于金屬概論中的知識點，要求很低，通常限于初步認識的水平。但是在實際生產和日常生活中，直接用于生產與生活的純金屬制品很少，合金卻占了主要的份額。所以這又是一個不可或少的知識點，而且經常出現于作業之中。

兩種或兩種以上的金屬元素（或以金屬為基添加其他非金屬元素）通過合金化工藝（熔煉、機械合金化、燒結、氣相沉積等等）形成的金屬材料叫做合金。有些合金可能只含有一種金屬元素，如鋼（鋼是對含碳質量百分比介于0.02%至2.00%之間的鐵合金的統稱）。

確有很多種合金熔點低于組成金屬單質，例如大家熟知的錫鉛合金，但是這不是所有合金的通性。比較合適的說法應該是多數合金熔點低于其組分中任一種組成金屬的熔點。以偏概全的問題，值得注意。

由金屬元素以及金屬元素和部分非金屬元素（如硼、碳和硅）形成的合金相，共有3種基本的形式，即：低共熔體（混合物）、固體溶液和金屬間化合物。三者之中只有形成低共熔體的合金相，才具有熔點低于組成金屬單質的特點（例如用于焊絲和熔斷絲制造的錫鉛合金）。當組成金屬元素的原子半徑相近，單質的晶格相近，組成元素的化學性質相近時，它們可以形成固體溶液形式的合金相。固體溶液形式的合金相，熔點介乎組成金屬單質熔點之間（例如銀銅合金、鉍鎘合金等），其數值因組成比率而改變。形成金屬間化合物的合金相，熔點往往高于組成金屬的單質（銅、鋅組成的黃銅）。最突出的如具有高熔點、高硬度的過渡金屬元素與碳、硼或硅形成的金屬間化合物相（在材料科學中歸于金屬陶瓷類）。鐵水急冷生成的白口鑄鐵的高硬度和脆性以及碳素鋼的機械強度遠高于純鐵，都和其中含有由Fe3C組成的滲碳體相有關。

合金材料中有的只包含上述3種物相中的一種，包含兩種或三種合金相的金屬材料則更為普遍，所以合金的性質雖然和組成中的金屬元素有關，卻主要決定于它們的相組成和相結構。雖然在敘述上和化學物質的性質取決于組成和結構相似，二者卻存在著宏觀與微觀之間的差別。也許二者在探究角度上有相通之處，但是視角與著眼點卻相去很遠。這是學習過初等化學甚至大學化學的學生，在學習材料科學時容易感到難以跨越的主要原因。我認為在中學化學教學中，包括在作業中不應當對此有所要求，但是不能用簡單的、以偏概全的結論來闡述合金的性質。作為教師，也許對與鋼鐵有關的鐵碳相圖有初步的了解是有益的。這樣在講述鋼鐵的冶煉、基本類別和性質時，比較容易做到恰如其分。

圖2是一張經過適當簡化的鐵碳合金相圖。

ABCD曲線上方為鐵與碳形成的液相區，可以看成是碳在鐵水中的溶解度曲線。通過E點的豎線是鋼和鐵的分界線（此時碳含量為2.11%）。BC曲線與JEC構成的相區是鐵與碳形成的固體溶液相。當C含量為4.30%時，合金具有最低熔點（1148℃）冷凝時形成低共熔相，此時鐵與碳各自形成自己的晶體，前者為相（體心立方晶格），后者為石墨，斷口呈灰白色，即灰口鑄鐵。如果鐵水急冷，上述結晶來不及完成，得到的是Fe（面心立方晶格）和碳形成的滲碳體（Fe3C）相。因為沒有生成石墨相，所以材料斷口呈銀灰色，即白口鑄鐵。過S點豎線的鋼水熔點約1480℃，冷卻至727℃時，形成和滲碳體兩相共存的共析組織。

相圖內容極其豐富，難以盡述。但是至此可以得出一個結論，那就是鋼中不存在石墨相，所以在推測與比較鋼和鐵的電化學腐蝕時，不能用含碳量作為依據，誤認為鑄鐵比鋼更容易腐蝕。事實上鑄鐵比鋼更耐腐蝕，合理的解釋應當是Fe-Fe3C電對和Fe-C電對的差別所致。

有興趣的老師不妨找本金屬學、煉鐵煉鋼學一類的教科書或科普小冊子作為參考。材料的性質往往可以通過相組成和相結構來調制（形狀記憶合金只是一個例子），這種情況不只限于金屬材料，在陶瓷和高分子材料科學技術中都可以找到實例。有關思路和改變物質的性質可以通過改變組成和結構來實現的化學觀點如出一轍，只不過一個立足于宏觀（材料），另一個則立足于微觀（原子分子）而已。學習科學和科學地學習有益于提高人的智慧，由此再次得到有力的證明。

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