談“合金的性質”教學中易出現的三個問題

徐文韜

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

關鍵詞：合金的定義;合金的熔點;合金的硬度

文章編號：1008-0546（2022）04x-0095-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

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

一、前言

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出，培養學生的化學學科核心素養的關鍵在課堂，課堂中能否正確傳遞知識的關鍵在教師。核心素養中的“科學精神和社會責任”要求學生具有嚴謹求實的科學態度，具有探索未知、崇尚真理的意識。教師作為課堂教學的引導者，在引導學生形成良好的科學精神方面起到了至關重要的作用，這要求教師自身形成過硬的知識體系和學科素養。

2021年蘇州市學業水平調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合金由一定質量比的Mg、Cu單質在高溫下熔煉獲得。熔煉制備時需要通入氬氣，目的是

滬教版九年級上冊化學書[1]上關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。筆者查閱了人教版和魯教版教材，關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[3]。”從定義不難看出，合金中至少含有兩種物質，從物質分類的角度來說，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”這一節內容，發現了許多之前沒有注意到的問題。

二、合金教學中的相關問題

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，如果進一步細分，合金應該分為三大類，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，在熔融狀態下，大多數金屬能夠互溶或者部分互溶，在保留了原有金屬結構的情況下，冷卻之后結晶，機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性、原子半徑、電子層結構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，但晶體的結構與其組分金屬的結構完全不同。依據其是否滿足化合價規律，分為兩類。第一類是正常化合價合金，第四主族元素中C、Si、Ge、Sn、Pb性質相似，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。常見的正常化合價合金有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：合金的熔點一定低于其組分金屬嗎？

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

關于合金的熔點，滬教版明確給出了“多數合金的熔點低于組成它的成分金屬。”這種說法是較為嚴謹的。人教版是在“討論”中給出純金屬的熔點和焊錫、武德合金的熔點，讓學生自己觀察并總結。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，從而比較熔點的高低。后兩種是通過書本上的實驗，讓學生自行歸納，沒有明確的結論，這就導致了部分教師在這一知識點講解時容易產生科學性的錯誤。無論是合金的熔點或是硬度，都需要從合金的組成結構及其內部的微粒間作用力角度來進行分析。

我們都知道純金屬內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]。影響金屬鍵強弱的主要因素有金屬的原子半徑、單位體積內自由電子的數目。而金屬鍵的強弱，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其他的原子，或是被其他金屬原子替代，根據自由電子理論，其中的自由電子和金屬離子之間的相互作用力就會產生相應的變化，從而導致合金的熔點和硬度發生改變。

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，所以導致了合金的熔點降低。

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，會進一步導致合金內部金屬鍵減弱，導致合金的熔點低于組分金屬熔點的平均值。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，晶胞結構空間利用率提高，原子之間結合更加緊密，且與非金屬原子之間可能形成部分共價鍵，導致合金的熔點升高。

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

問題3：合金的硬度一定大于其組分金屬嗎？

1822年奧地利礦物學家莫斯以十種礦石的劃痕作為標準，定出硬度標準。常見的金剛石作為硬度最大的天然物質，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，多數合金熔點低于組分金屬。”值得一提的是，對于純金屬而言，其金屬鍵越強，熔點和硬度往往越高、越大。合金的熔點和硬度的變化趨勢卻并不一致，這是為什么呢？

結構決定性質，這是化學學習中的重要理論基礎。如圖2所示，上文所說的混合物合金，因其中仍含有相應組分（既不相互溶解，亦不形成化合物），故其機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，因為合金內部出現了晶格畸變的現象，導致合金的強度升高，硬度增大。

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

三、反思與總結

在科學技術日益進步的現代社會，人們的生活已經離不開各種各樣的合金材料。教師在教學中對合金的相關性質不能簡單的一句話帶過。在不同的環境中，人們完全可以依照自身的需要設計出相應的合金從而達到相應的目的。在中學階段，核心素養中的“科學精神和社會責任”要求教師在傳授知識時做到嚴謹科學，只有教師做到嚴謹求實，我們的學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，學生對教師所傳授的知識也會產生質疑，從而影響課堂教學質量。

參考文獻

[1]中學化學國家課程標準研制組.化學（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，化學課程教材研究開發中心.義務教育教科書（化學九年級下冊）[M].北京：人民教育出版社，2013：4.

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

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