第三章探索生活中材料Word文档下载推荐.docx
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[讲解]根据图3-1讲解合金比纯金属硬度大更坚硬的原因。
[学与问]根据图解释合金熔点为什么一般比各成分熔点低?
提示:
原子之间吸引力减弱。
[板书]二、使用合金
1、铁合金
[讲解]生铁的含碳量在2%~4.3%,还含有硅、锰及少量硫、磷等杂质,机械性能硬而脆,易断裂,可铸不可锻;
钢中的含碳量一般在0.03%~2%之间,其它杂质含量也比生铁少,基本上不含硫和磷。
机械性能比生铁优良,硬而韧,有弹性,延展性好,可铸可锻,易加工。
[练习]1.生铁的含碳量在__之间,还含有等杂质,主要的机械性能__。
钢的含碳量在__之间,与生铁比较其它杂质含量__,主要的机械性能__。
[讲述]钢可以分为碳素钢和合金钢两大类,根据含碳量的不同。
工业上一般把含碳量低于0.3%(质量分数)的叫做低碳钢;
含碳量在0.3%~0.6%(质量分数)之间的叫做中碳钢;
含碳量在0.6%(质量分数)以上的叫做高碳钢。
合金钢是在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素,使钢的组织结构发生变化,从而使钢具有各种不同特殊性能,如强度、硬度大,可塑性、韧性好,耐磨,耐腐蚀,以及其它许多优良性能。
[投影]不锈钢制品:
[讲述]随着科学技术的进步和人民生活水平的提高,不锈钢的装饰品、餐具、炊具已经进入许多家庭。
不锈钢制品外观光洁、美观,不易污染、不生锈,因此受到人们的青睐。
不锈钢中除铁以外,还含有抗腐蚀性很强的铬和镍。
铬的含量一般在13%以上,镍的含量也在10%左右。
例如,有一种不锈钢的成分除铁以外,其他元素含量如下:
Cr(铬)17.0%~19.0%;
Ni(镍)8.0%~11.0%;
C(碳)≤0.14%;
Si(硅)≤0.80%;
Mn(锰)≤2.00%;
P(磷)≤0.035%;
S(硫)≤0.03%。
[练习]2.在下列物质名称后的括内填上符合该物质的组成成分和用途的序。
(1)低碳钢( )
(2)高碳钢( )(3)不锈钢( ) (4)铸造生铁( )
A.含碳2%~4.3% B.含碳低于0.3%C.含碳高于0.6% D.含镍、铬
a.铸造铸件 b.机器零件c.化工设备的耐酸塔 d.刀具
3.钢铁的生锈与什么有关?
铁锈的主要成分是什么?
若铁锈的主要成分以Fe2O3表示,写出用盐酸除去铁锈有关反应的化学方程式。
[学与问]某些情况下(如海水中),不锈钢仍会生锈,为什么?
(提示:
仍含杂质,形成原电池)
[自学]资料卡片—钢中合金元素作用。
(阅读拓展资料:
特种纲)
[投影]几种铝合金用途:
[板书]2、铝合金、铜合金
[讲述]铝是地壳中含量最多的金属元素。
纯铝的强度和硬度较小,不适合制造机械零件等。
制成铝合金可改善性能。
例如,铝硅合金(含Si质量分数为13.5%)的熔点为564℃,比纯铝或硅的熔点低,而且它在凝固时收缩率又很小。
因而,这种合金适合铸造。
又如,硬铝(含Cu4%、Mg0.5%、Mn0.5%、Si0.7%)(均为质量分数)的强度和硬度都比纯铝大,几乎相当于钢材,且密度较小。
铝合金的种类很多,它们在汽车、船舶、飞机等制造业上以及在日常生活里的用途很广。
[实践活动]通过调查或设计实验,确定易拉罐的成分
[投影]铜合金:
[讲述]Cu与Zu的合金称黄铜,其中Cu占60%~90%、Zn占40%~10%,有优良的导热性和耐腐蚀性,可用作各种仪器零件。
青铜是人类使用历史最久的金属材料,它是Cu~Sn合金。
白铜是Cu-Ni合金,有优异的耐蚀性和高的电阻,故可用作苛刻腐蚀条件下工作的零部件和电阻器的材料。
[阅读]资料卡片:
K金是指黄金和其它金属混合在一起的合金,K金的量度单位,是将纯金分为24份。
根据在首饰中的黄金含量就分成不同的K金,所以24K是指纯金,18K含黄金量就是18/24=75.0%。
[阅读]新型合金
[板书]3、新型合金
[练习]4、储氢合金是怎样储氢的?
常用那些合金材料做储氢金属材料?
使用时氢气怎样放出?
5、.氢化钠(NaH)是一种离子化合物,NaH与H2O反应放出H2,下列叙述中正确的是
A、NaH在水中呈酸性B、NaH中的氢离子可被还原成H2
C、NaH与H2O反应时,NaH是氧化剂D、NaH与H2O反应时,H2既是氧化产物又是还原产物
[阅读]资料卡片—泡末金属
[练习]6、什么是泡末金属?
泡末金属有那些性质及主要用途。
[小结]略
[作业]P531、2、3、4、5、6
板书设计
合金:
二、使用合金
2、铝合金、铜合金
3、新型合金
特种合金
(1)耐蚀合金
金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力,称金属的耐蚀性。
纯金属中耐蚀性高的通常具备下述三个条件之一:
①热力学稳定性高的金属。
②易于钝化的金属。
③表面能生成难溶的和保护性能良好的腐蚀产物膜的金属。
因此,工业上根据上述原理,采用合金化方法获得一系列耐蚀合金,一般有相应的三种方法:
①提高金属或合金的热力学稳定性,即向原不耐蚀的金属或合金中加入热力学稳定性高的合金元素,使形成固溶体以及提高合金的电极电势,增强其耐蚀性。
例如在Cu中加Au,在Ni中加入Cu、Cr等,即属此类。
不过这种大量加入贵金属的办法,在工业结构材料中的
应用是有限的。
②加入易钝化合金元素,如Cr、Ni、Mo等,可提高基体金属的耐蚀性。
在钢中加入适量的Cr,即可制得铬系不锈钢。
实验证明,在不锈钢中,含Cr量一般应大于13%时才能起抗蚀作用,Cr含量越高,其耐蚀性越好。
这类不锈钢在氧化介质中有很好的抗蚀性,但在非氧化性介质如稀硫酸和盐酸中,耐蚀性较差。
这是因为非氧化性酸不易使合金生成氧化膜,
同时对氧化膜还有溶解作用。
③加入能促使合金表面生成致密的腐蚀产物保护膜的合金元素,是制取耐蚀合金又一途径。
例如,钢能耐大气腐蚀是由于其表面形成结构致密的化合物羟基氧化物[FeOx·
(OH)23-2x],它能起保护作用。
钢中加入Cu与P或P与Cr均可促进这种保护膜的生成,由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大气腐蚀的低合金钢。
(2)耐热合金
一般的金属材料都只能在500℃~600℃下长期工作。
能在高于700℃的高温下工作
的金属通称耐热合金。
“耐热”是指其在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性。
提高钢铁高温强度的方法很多,从结构、性质的化学观点看,大致有两种主要方法:
一是增加钢中原子间在高温下的结合力。
研究指出,金属中结合力,即金属键强度大小,主要与原子中未成对的电子数有关。
从周期表中看,ⅥB元素金属键在同一周期内最强。
因
此,在钢中加入Cr、Mo、W等原子的效果最佳。
二是加入能形成各种碳化物或金属间化合物的元素,以使钢基体强化。
由若干过渡金属与碳原子生成的碳化物属于间隙化合物,它们在金属键的基础上,又增加了共价键的成分,因此硬度极大,熔点很高。
例如,加入W、Mo、V、Nb可生成WC、W2C、MoC、Mo2C、VC、NbC
等碳化物,从而增加了钢铁的高温强度。
利用合金方法,除铁基耐热合金外,还可制得镍基、钼基、铌基和钨基耐热合金,它们在高温下具有良好的机械性能和化学稳定性。
其中镍基合金是最优的超耐热金属材料,组织中基体是NiCrCo的固溶体和Ni3Al金属化合物,经处理后,其使用温度可达1000℃~1100℃。
(3)钛合金
钛和钛合金有优异的耐蚀性,只能被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀。
特别是钛对
海水很稳定,将钛或钛合金放入海水中数年,取出后,仍光亮如初,远优于不锈钢。
液态的钛几乎能溶解所有的金属,形成固溶体或金属化合物等各种合金。
合金元素如Al、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入,可改善钛的性能,以适应不同部门的需要。
例如,Ti-Al-Sn合金有很高的热稳定性,可在相当高的温度下长时间工作;
以Ti-Al-V合金为代表的超塑性合金,可以50%~150%地伸长加工成型,其最大伸长可达到2000%。
而一般合金的
塑性加工的伸长率最大不超过30%。
由于上述优异性能,钛享有“未来的金属”的美称。
钛合金已广泛用于国民经济各部门,它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。
船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻
工业部门中要大量应用钛合金,只是目前钛的价格较昂贵,限制了它的广泛使用。
(4)磁性合金
金属中组成永磁材料的主要元素是Fe、Co、Ni和某些稀土元素。
目前使用的永磁合金
有稀土钴系、铁铬钴系和锰铝碳系合金。
磁性合金在电力、电子、计算机、自动控制和电光学等新兴技术领域中,有着日益广泛
的应用。
(5)形状记忆合金
形状记忆合金是在20世纪60年代初期发现的,它是一种特殊的合金,有一种不可思议的性质,即使把它揉成一团,一旦达到一定温度,它便能在瞬间恢复到原来的形状。
由镍和
钛组成的合金具有记忆能力,称为NT合金。
具有这种形状记忆效应的合金,除镍钛合金外,还先后发现铜锌、金镉、镍铝等
约20种合金,其中“记忆力”最好的是NT合金。
形状记忆合金的应用范围广泛,除了可用于温度控制装置、集成电路引线、汽车零件与机械零件外,由于其与生物体的相容性好、耐蚀性强,还可用于骨折部位的固定、人造心脏
零件、牙齿矫正等医用材料。
由于NT合金成本昂贵,目前正在研制廉价的铜系形状记忆合金。
第二节金属的腐蚀与防护
1.能描述金属腐蚀的化学原理,知道金属防护的常用方法,认识防止金属腐蚀的重要意义。
2.进一步学会对比、比较认识事物的科学方法和假设验证探究的思维方式,辩证的认识外因条件对化学变化的影响;
3.参与试验探究观察铁生锈的过程,体会动手试验自己获得铁的性质的知识的成功愉悦,保持学习的兴趣;
电化腐蚀的原因.
教学难点:
析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极反应方程式.
实验探究、师生共议、归纳总结。
两课时
一课时
[投影]常见的金属腐蚀现象:
[导课]金属腐蚀的现象非常普遍,像金属制成的日用品、生产工具、机器部件、海轮的船壳等,如保养不好,都会腐蚀,从而造成大量金属的损耗。
至于因设备腐蚀损坏而引起停工减产、产品质量下降、污染环境、危害人体健康,甚至造成严重事故的损失,那就更无法估计了。
因此,了解金属腐蚀的原因,掌握防护的方法,是具有十分重要的意义的。
[板书]第二节金属的腐蚀与防护
一、金属腐蚀
[阅读]回答什么是金属腐蚀?
[板书]金属腐蚀:
金属(或合金)跟周围接触到的气体(或液体)反应而腐蚀损耗的过程。
[讲述]金属的化学腐蚀:
金属跟接触到的物质直接发生化学反应而引起的腐蚀。
例如:
铁在高温下与氧气直接化合而被腐蚀,在工业生产中氯气跟铁或与其他金属化合使金属锈蚀。
反应简单、金属与氧化剂之间的氧化还原反应。
[板书]1、化学腐蚀:
[讲述]温度对化学腐蚀的影响:
[科学探究]不同条件下铁钉的锈蚀
注意:
①光亮铁钉浸没在菜油之中;
②光亮铁钉半浸半露在菜油中;
③光亮铁钉完全浸没在食盐水中;
④光亮铁钉完全浸没在酸性溶液中或碱性溶液中。
学生分别观察并写出报告以培养学生的观察与描述能力。
教师不但要给学生出题目,还要发挥点拨作用,提出注意点:
①观察的一周中不要振荡试管,否则会破坏生锈的界面;
②把各人设置的具体条件和的状况详尽记录在案,以利分析和归纳,写出高质量的家庭探究报告。
实验方案
记录
结论
[总结]铁钉生锈的条件:
铁钉含杂质、与电解质溶液接触。
[思考]绝大多数钢铁生锈是否是化学腐蚀?
为什么?
[板书]2、电化学腐蚀
[讲解]由于金属和液态介质(常为水溶液)构成微小的原电池而发生金属腐蚀的过程.电化学腐蚀是金属腐蚀的主要形式.例如:
钢铁在潮湿的空气中生锈就是电化学腐蚀造成的.
[板书]电化学腐蚀:
不纯的金属或合金与电解质溶液接触,会发生原电池反应,比较活泼的金属失电子被氧化的腐蚀。
[共同分析]形成原电池的原因。
[板书]
[投影]钢铁的吸氧腐蚀与析氢腐蚀:
[讲解]吸氧腐蚀与析氢腐蚀:
发生条件、正负极反应、总反应。
分类
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜酸性较强(弱酸)
水膜酸性较弱或呈中性
负极反应
Fe–2e===Fe2+
2Fe–4e===2Fe2+
正极反应
2H++2e===H2
2H2O+O2+4e-==4OH-
总反应
Fe+2H+==Fe2++H2
2Fe+2H2O+O2==2Fe(OH)2
4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3
Fe2O3.xH2O
次要
主要
[归纳与交流]化学腐蚀与电化腐蚀的对比。
[板书]3、化学腐蚀与电化腐蚀的对比
(1)本质:
金属原子失电子而被氧化
M–ne==Mn+
(2)
(3)
相互关系:
往往同时发生,电化腐蚀要比化学腐蚀普遍得多。
[课堂练习]
1.把a、b、c、d4块金属片浸入稀硫酸中,用导线两两相连可以组成几个原电池。
若a、b相连时a为负极;
c、d相连时电流由d到c;
a、c相连时c极上产生大量气泡;
b、d相连时b上有大量气泡产生;
则四种金属的活动性顺序由强到弱为:
.(a>
c>
d>
b)
2.烧过菜的铁锅未及时洗去含有NaCl的残液,过一段时间便出现红棕色的铁锈斑点,已知该锈斑为Fe(OH)3失水的产物。
表示Fe(OH)3生成的电极反应式、离子方程式和化学方程式分别为;
(1)负极,正极;
(2);
(3)。
(Fe-2e=Fe2+,2H2O+O2+4e=4OH-,)(Fe2++2OH-=Fe(OH)2;
4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3)
3.有人设计以Pt和Zn为电极材料,埋入人体内作为某种心脏病人的心脏起搏器的能源。
它依靠人体内血液种含有一定浓度的溶解氧、H+和Zn2+进行工作。
它的两极电极反应式分别为:
。
(正极:
Zn-2e=Zn2+,负极:
2H2O+O2+4e=4OH-,)
[作业]P581、2、3
板书设计
1、化学腐蚀:
2、电化学腐蚀
2H2O+O2+4e-==4OH-
3、化学腐蚀与电化腐蚀的对比
(3)
二课时
[过渡]金属被腐蚀后,在外形、色泽以及机械性能等方面都将发生变化,会使机器设备、仪器、仪表的精密度和灵敏度降低,影响使用以至报废,甚至发生严重事故。
每年由于钢铁生锈会使我国损失大约100~150亿元。
在英国,每90秒钟就有1吨钢被锈蚀掉。
因此防止金属腐蚀有很重要的意义。
[板书]二、金属的防护
[思考与交流]讨论自行车不同构件的防锈措施:
[复习]电化学腐蚀的实质,写出两极反应方程式(析氢和吸氧)。
[思考]影响金属腐蚀的因素有那些?
(阅读P56最后一自然段)
[练习]
1、影响金属腐蚀的因素有__和__两个,就金属本身来说金属越__,金属越易被腐蚀,金属中含杂质越__,金属越易被腐蚀;
介质对金属腐蚀影响也很大,如果金属在____、____和____,金属越易被腐蚀。
[思考]海水中的金属为何容易被腐蚀?
电解质溶液)
[讨论]要想减少或避免电化学腐蚀,我们应该采取什么措施?
①对金属做必要的精炼,以减少其中能导电的不活泼杂质。
②对机器、仪表及时保养,减少金属与腐蚀性气体、电解质溶液、潮湿气体的接触。
③根据用途不同采取不同的方法使金属与造成发生的介质隔离,如涂油脂、喷漆、镀层、表面钝化等。
④选用适宜的金属或非金属制成耐腐蚀的合金,如炼制不锈钢、耐酸钢等。
⑤采用电化学防护方法,如在钢铁的船体上焊接上较活泼的金属锌。
[投影]常见金属防腐蚀方法:
[板书]1、物理方法
[讲述]以上投影中方法都是物理方法。
刚才同学们回答时已提到电化学防护方法。
[投影]两种电化学防护方法
[讲述]金属腐蚀本质就是金属失电子而被氧化的过程。
金属越活泼,金属越易被腐蚀。
因此在金属铁上连接一块比它更活泼的金属,发生原电池反应时,失电子的为活泼的金属,而铁被保护。
[探究活动1]决策——采用哪种防锈方法
1镀铝后涂漆2镀锌后涂漆3镀镉后涂漆4镀铬5镀锡6喷砂清理后涂漆7一般清理后涂漆8在锈上涂漆
上图对不同防锈方法的效果进行了比较,同时也粗略给出了这些方法的成本。
[问题]采用哪种方法来保护铁不生锈,仔细考虑成本与效果。
(1)房子上的铸铁檐槽
(2)海边码头上的钢轨(3)铁的徽章(4)放电熨斗的支架(5)钢刀片(6)铁钥匙(7)儿童游戏场中秋千的钢架
1至7中,要求针对所给出的不同情况,去决定应分别采用哪种防锈方法。
这项工作最好在小组中进行。
有一些做决定时应考虑的因素:
●物品需要保存多长时间?
很明显,如果物品只需保存很短的时间,就没有必要去考虑给它一个长久的保护。
●物品将用在哪里?
如果物品主要用于室外,它就需要较好地进行保护。
●物品是干什么用的?
物品用途不同,保护方法也不同。
例如,物品要接受高温,就不能用油漆进行保护。
●物品外观重要吗?
某些保护方法也是为了装饰外观用的。
例如,镀铬。
[探究活动2]决策——怎样保护通向学校的小桥
假设你为地方政府的架桥部门工作,你要在一条河上修一座供人行走的小桥,有了这座桥,孩子们就可以从住宅区通过小河到学校上学了。
这座桥要用铁建造,你要决定采用什么样的保护方法来防止它生锈.这座桥需要保存16年,因为16年后学校就要搬到另一个新的地方。
有四种防锈措施供选择:
选择1不防锈,不采取防锈措施的桥,10年后必须进行更换,否则会由于锈蚀而发生危险。
选择2在对桥进行一般性清理后,涂上油漆.这种保护措施需要每3年重新进行一次。
选择3用喷砂清理法对桥清理后,涂上油漆。
这种保护措施需要每6年重新进行一次。
选择4将桥喷砂清理后,镀上锌再涂上漆。
这种保护措施能使桥保存18年。
下面给出了以上四种选择的成本。
表:
四种选择的成本
[问题]
(1)计算每个选择从桥建造开始,16年所花的费用(包括建造费和维修保护费)
(2)采用哪个选择?
[讨论]1.只有钢铁才能生锈,很多其他的金属,如铝和铜,几乎完全不发生锈蚀.可是为什么我们用钢铁比用其他金属多呢?
2.假如有人发明了一种又便宜、又简单的方法,使锈永远不可能发生.显然这一发
明会带来很大的益处,你认为它也可能带来坏处吗?
3.汽车排气系统受锈的影响很严重。
一辆车,由普通钢制造的排气系统价值960元,由于生锈的原因,它使用大约2年就需要更换。
对同一辆车,如果买一个由不锈钢制造的排气系统,受锈的影响就会减少,并且可以使用6年,不锈钢排气系统价值1900元。
从长远考虑,是普通钢排气系统便宜,还是不锈钢排气系统便宜?
解释你的回答。
4.在英国才有不到10%的汽车拥有者购买不锈钢排气系统。
请你评论一下这个事实。
1.解释下列现象并写出有关原电池的电极反应:
(1)马口铁(镀Sn铁皮)做的罐头,打开后为什么极易生锈?
(2)自来水管(镀Zn铁管)和白铁皮做的提桶,为什么不易生锈?
(3)轮船船壳的水线以下部分,为什么要装上一定数量Zn块?
2.桥梁上钢结构接头处须用铆钉连结,以下三种铆钉,选用何种为好?
(1)铝铆钉
(2)铜铆钉(3)钢铆钉
3.下列各烧杯中盛有海水,依次插入:
(1)Fe片;
(2)Cu、Fe导线相连;
(3)Sn、Fe导线相连;
(4)Zn、Fe导线相连;
(5)Al、Fe导线相连;
铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是:
_________。
参考答案:
1、略2、(3)3、
(2)>(3)>
(1)>(4)>(5)
[作业]P585、6
二、金属的防护
1、物理方法
2、电化学法
怎样防止自行车棚锈蚀?
学校(或社区、乡村)内的自行车防雨棚采用了钢架结构,但使用不久就会生锈。
为了使它有比较长的使用寿命,需要采取防锈措施。
请同学们思考:
怎样应用有关金属锈蚀的知识来防止自行车棚的钢架锈蚀呢?
我的假设
车棚钢架锈蚀的主要原因是:
--、--、--、--……
我的方案
针对这些原因采取下列措施,可以防止车棚钢架锈蚀:
1.--------
2.--------
3.--------
……
探究过程建议
1.查阅有关钢铁锈蚀原因和防护方法的资料,在此基础上初步考虑可以采取的防锈措施,整理成参考材料并与同学进行交流和讨论。
2.考察同类车棚的防锈方法及其效果,向有经验的人征求意见,在此基础上写成考察报告。
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