谈“合金的性质”教学中易出现的三个问题

徐文韬

摘要：“合金的性质”是沪教版九年级化学第五章的重要内容。本文对部分初中教师在教学中存在的概念不清、性质理解不透的三个问题进行了阐述，表明了教师只有吃透教材、深入研究教材、提升自己学科素养，才能提高学生的核心素养水平，提升课堂教学品质。

关键词：合金的定义;合金的熔点;合金的硬度

文章编号：1008-0546（2022）04x-0095-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

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

一、前言

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出，培养学生的化学学科核心素养的关键在课堂，课堂中能否正确传递知识的关键在教师。核心素养中的“科学精神和社会责任”要求学生具有严谨求实的科学态度，具有探索未知、崇尚真理的意识。教师作为课堂教学的引导者，在引导学生形成良好的科学精神方面起到了至关重要的作用，这要求教师自身形成过硬的知识体系和学科素养。

2021年苏州市学业水平调研卷上有这样一道题目：

II.贮氢：合金Mg2Cu是一种贮氢材料。（3）Mg2Cu合金由一定质量比的Mg、Cu单质在高温下熔炼获得。熔炼制备时需要通入氩气，目的是

沪教版九年级上册化学书[1]上关于合金的概念是这样叙述的：合金是一种金属跟其他金属（或非金属）熔合而成的有金属特性的物质。笔者查阅了人教版和鲁教版教材，关于合金的概念大致相同，分别是“在金属中加热熔合某些金属或非金属，就可以制得具有金属特征的合金[2]”“在某种金属中加热熔合其他金属或非金属后形成的、具有金属特性的物质[3]。”从定义不难看出，合金中至少含有两种物质，从物质分类的角度来说，合金属于混合物。而作为一个混合物可以用Mg2Cu这样的化学式来表示吗？带着这样的问题，笔者重新翻阅了沪教版“合金”这一节内容，发现了许多之前没有注意到的问题。

二、合金教学中的相关问题

问题1：什么是合金？诚如教材所说，合金是由一种金属跟其他金属（或非金属）熔合而成的具有金属特性的物质，如果进一步细分，合金应该分为三大类，分别是：混合物合金、固溶体合金和互化物合金（见图1）。

一般情况下，在熔融状态下，大多数金属能够互溶或者部分互溶，在保留了原有金属结构的情况下，冷却之后结晶，机械性地形成一种混合物，这就是所谓的混合物合金。

固溶体合金指的是，其中一种组分（可以是金属，也可以是非金属）的原子或是取代、或是插入另一种组分中形成相应的合金，由此固溶体合金可以划分为两类，一类是取代固溶体合金，一类是间充固溶体合金。

互化物合金指的是两种电负性、原子半径、电子层结构相差较大的金属在一定条件下形成的化合物。这种化合物中包含了两种金属元素，但晶体的结构与其组分金属的结构完全不同。依据其是否满足化合价规律，分为两类。第一类是正常化合价合金，第四主族元素中C、Si、Ge、Sn、Pb性质相似，介于金属元素和非金属元素之间，可以视为+4价，与第二主族的Mg可形成正常价化合物合金。常见的正常化合价合金有Mg2Sn、Mg2Pb等;另一类是电子化合物合金（有IB族参与组成的合金），Mg2Cu就属于电子化合物合金。

由此可见，大多数情况下合金是一种混合物，而对于第三类互化物合金而言，无论是前面的正常价化合物合金或是电子化合物合金，都属于化合物的范畴。

问题2：合金的熔点一定低于其组分金属吗？

在新授课时，很多教师以保险丝（武德合金）的熔点低于其组分金属铅、锡、镉、铋;以焊锡的熔点低于其组分金属锡和铅;以钢的熔点低于其组分铁和碳为例，从而归纳得出合金的熔点低于其组分金属。事实上这样的归纳是不完全的，是以偏概全的。

关于合金的熔点，沪教版明确给出了“多数合金的熔点低于组成它的成分金属。”这种说法是较为严谨的。人教版是在“讨论”中给出纯金属的熔点和焊锡、武德合金的熔点，让学生自己观察并总结。鲁科版中则是通过锡片和焊锡放在铁片上加热，比较两者熔化的难易，从而比较熔点的高低。后两种是通过书本上的实验，让学生自行归纳，没有明确的结论，这就导致了部分教师在这一知识点讲解时容易产生科学性的错误。无论是合金的熔点或是硬度，都需要从合金的组成结构及其内部的微粒间作用力角度来进行分析。

我们都知道纯金属内部的微粒间的作用力，主要是金属键。基于自由电子理论，所谓的金属键是指金属阳离子与自由电子形成的作用力[4]。影响金属键强弱的主要因素有金属的原子半径、单位体积内自由电子的数目。而金属键的强弱，往往是通过金属的气化焓来衡量。对于合金，由于其中的金属原子或是被掺杂进其他的原子，或是被其他金属原子替代，根据自由电子理论，其中的自由电子和金属离子之间的相互作用力就会产生相应的变化，从而导致合金的熔点和硬度发生改变。

混合物合金，虽然是一种简单互溶后形成的合金，其晶格和性能与原来组分相差不大，但是不同的金属阳离子和自由电子之间的相互作用力在一定程度上削弱原有的金属键，所以导致了合金的熔点降低。

固溶体合金中的取代固溶体合金，由于金属中的部分金属原子被另一种金属原子取代，导致了合金的金属键介于两种纯金属键之间。但由于自由电子的影响，会进一步导致合金内部金属键减弱，导致合金的熔点低于组分金属熔点的平均值。间充固溶体合金，由于纯金属中往往掺杂有半径较小的金属原子或非金属原子，晶胞结构空间利用率提高，原子之間结合更加紧密，且与非金属原子之间可能形成部分共价键，导致合金的熔点升高。

正常化合价合金，由于IIA族和IVA族元素之间电负性存在差异，导致了微粒间得失电子存在可能，从而形成部分的离子键，这一强烈的作用力使合金的熔点显著升高。而电子化合物合金，其组成会在一定范围内变化，较为复杂，但普遍的观点认为其金属键是减弱的，其对应的熔点会降低。

问题3：合金的硬度一定大于其组分金属吗？

1822年奥地利矿物学家莫斯以十种矿石的划痕作为标准，定出硬度标准。常见的金刚石作为硬度最大的天然物质，硬度记为10，滑石粉作为最软的矿物，硬度记为1，硬度为1的还有人们所熟知的石墨。在教材中，硬度大小的区分往往以铜和黄铜相互刻划、锡与焊锡相互刻划得出——合金的硬度一般情况下大于其组分金属的硬度。

沪教版教材中提出“形成合金后，其硬度一般大于组分金属，多数合金熔点低于组分金属。”值得一提的是，对于纯金属而言，其金属键越强，熔点和硬度往往越高、越大。合金的熔点和硬度的变化趋势却并不一致，这是为什么呢？

结构决定性质，这是化学学习中的重要理论基础。如图2所示，上文所说的混合物合金，因其中仍含有相应组分（既不相互溶解，亦不形成化合物），故其机械性能介于两者之间。

固溶体合金、取代固溶体合金、间充固溶体合金，因为合金内部出现了晶格畸变的现象，导致合金的强度升高，硬度增大。

互化物合金，一般情况比起纯金属，具有更高的力学性能，即具有较高的强度、硬度等。但由于其组成不固定，成分较为复杂，这里就不详叙。

三、反思与总结

在科学技术日益进步的现代社会，人们的生活已经离不开各种各样的合金材料。教师在教学中对合金的相关性质不能简单的一句话带过。在不同的环境中，人们完全可以依照自身的需要设计出相应的合金从而达到相应的目的。在中学阶段，核心素养中的“科学精神和社会责任”要求教师在传授知识时做到严谨科学，只有教师做到严谨求实，我们的学生才能更好地在知识海洋中遨游。反之，若教师在上课时信口开河，学生对教师所传授的知识也会产生质疑，從而影响课堂教学质量。

参考文献

[1]中学化学国家课程标准研制组.化学（九年级上册）[M].上海：上海教育出版社，2013：118.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育教科书（化学九年级下册）[M].北京：人民教育出版社，2013：4.

[3]毕华林，卢魏.化学（九年级下册）[M].济南：山东教育出版社，2013：56.

[4]耿莉莉，吴俊明.关于金属键的一些思考[J].化学教学，2020（11）：8-12.