2019-2020学年高中化学上学期《用途广泛的金属材料》教学设计.doc

2019-2020学年高中化学上学期用途广泛的金属材料教学设计课题第二节 几种重要的金属化合物（第三课时）学习目标知识与技能（1）要求学生掌握常见合金的重要用途。（2）初步认识合理使用金属材料的意义。过程与方法采用讨论、社会调查、思考与交流、角色扮演等多种方法进行教学。情感、态度与价值观（1）介绍金属材料面临的挑战，激发学生的社会责任感。（2）积极开展社会调查活动，提高学生对金属材料的认识，增强其社会活动能力。（3）开展多种形式的交流活动，培养学生的互助合作精神。学习重点常见合金的重要作用学习难点金属材料的正确选用教学环节教师活动学生活动设计意图导入新课什么叫合金？合金具有哪些特性？有哪些用途？合金是在金属中加热熔合某些金属或非金属制得具有金属特征的金属材料。不同的合金具有不同的性能，主要表现在机械强度、韧性、硬度、可塑性、耐腐蚀性等方面。例如，不锈钢抗腐蚀性好，用来做医疗器械、炊具等；硬铝强度和硬度好，用来制门窗，也用于制火箭、飞机、轮船等；青铜强度高、可塑性好、耐磨、耐腐蚀，用于制机器零件，等等。师：回答得很好，合金除了具有以上特点外还具有以下性质：（1）合金的硬度一般比它的各成分金属要大。（2）多数合金的熔点比它的各成分金属要低。（3）改变原料的配比或改变生成合金的条件，可以得到不同性能的合金。学生思考回答：了解合金的基本性质环节一、常见的合金常见合金的重要应用1.铜合金阅读教材思考：（1）铜合金的分类（青铜、黄铜、白铜）。（2）各种铜合金的组成（青铜：铜锡合金；黄铜：铜与锌的合金，还含有少量锡、铅、铝等；白铜：含镍、锌及少量锰）。【多媒体投影】（1）铜材 以纯铜或铜合金制成各种形状包括棒、线、板、带、条、管、箔等统称铜材。铜材的加工有轧制、挤制及拉制等方法，铜材中板材和条材有热轧的和冷轧的；而带材和箔材都是冷轧的；管材和棒材则分为挤制品和拉制品；线材都是拉制的。（2）黄铜 黄铜是铜与锌的合金。最简单的黄铜是铜锌二元合金，称为简单黄铜或普通黄铜。改变黄铜中锌的含量可以得到不同机械性能的黄铜。黄铜中锌的含量较高，其强度也较高，塑性稍低。工业中采用的黄铜含锌量不超过45%，含锌量再高将会产生脆性，使合金性能变坏。为了改善黄铜的某种性能，在二元黄铜的基础上加入其他合金元素的黄铜称为特殊黄铜。常用的合金元素有硅、铝、锡、铅、锰、铁与镍等。在黄铜中加铝能提高黄铜的屈服强度和抗腐蚀性，稍降低塑性。含铝小于4%的黄铜具有良好的加工、铸造等综合性能。在黄铜中加1%的锡能显著改善黄铜的抗海水和大气腐蚀的能力，因此称为“海军黄铜”。锡还能改善黄铜的切削加工性能。黄铜加铅的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性，铅对黄铜的强度影响不大。锰黄铜具有良好的机械性能、热稳定性和抗蚀性；在锰黄铜中加铝，还可以改善它的性能，得到表面光洁的铸件。黄铜可分为铸造和压力加工两类产品。(3)青铜 青铜是历史上应用最早的一种合金，原指铜锡合金，因颜色呈青灰色，故称青铜。为了改善合金的工艺性能和机械性能，大部分青铜内还加入其他合金元素，如铅、锌、磷等。由于锡是一种稀缺元素，所以工业上还使用许多不含锡的无锡青铜，它们不仅价格便宜，还具有所需要的特种性能。无锡青铜主要有铝青铜、铍青铜、锰青铜、硅青铜等。此外还有成分较为复杂的三元或四元青铜。现在除黄铜和白铜（铜镍合金）以外的铜合金均称为青铜。 锡青铜有较高的机械性能，较好的耐蚀性、减摩性和好的铸造性能；对过热和气体的敏感性小，焊接性能好，无铁磁性，收缩系数小。锡青铜在大气、海水、淡水和蒸汽中的抗蚀性都比黄铜高。铝青铜有比锡青铜高的机械性能和耐磨、耐蚀、耐寒、耐热、无铁磁性，有良好的流动性，无偏析倾向，可得到致密的铸件。在铝青铜中加入铁、镍和锰等元素，可进一步改善合金的各种性能。青铜也分为压力加工和铸造产品两大类。(4)白铜 以镍为主要添加元素的铜基合金呈银白色,称为白铜。铜镍二元合金称普通白铜，加锰、铁、锌和铝等元素的铜镍合金称为复杂白铜，纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、电阻和热电性。工业用白铜根据性能特点和用途不同分为结构用白铜和电工用白铜两种，分别满足各种耐蚀和特殊的电、热性能。2.钢 师：钢的分类方法较多，（1）按照品种，划分为普通碳素钢、低合金钢、低硅钢、一般碳素结构钢、合金结构钢、合金弹簧钢、轴承钢等。（2）综合划分为普通钢和优质钢两大类。（3）按照规格，划分为大、中、小三类。我们教材按照化学成分分成两类，即碳素钢和合金钢。提问：（1）碳素钢按什么分成哪几类？各具有哪些性能？ 归纳讲解：钢是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11%。钢是经济建设中极为重要的金属材料。碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能，且价格低廉。因此，碳素钢获得了广泛的应用。碳素钢：按含碳量又可分为低碳钢（含碳量0.3%），韧性、焊接性好，强度低；中碳钢（0.3%含碳量0.6%)，强度高、韧性及加工性好；高碳钢（含碳量0.6%），硬而脆，热处理后弹性好。（2）合金钢中含哪些元素？ 师：随着现代工业与科学技术的迅速发展，碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢。合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素（称为合金元素，如：铬、锰、钨、镍、钼、钴、硅等）而得到的多元合金。合金钢具有优良的性能。过渡：合金的用途非常广泛，你愿意不愿意对关于合金的课题进行一次调查，并写出关于合金的一篇小论文。观看ppt、视频学生回答学生回答环节二、特殊功能的合金实践活动给学生提供一些课题，例如课题一：合金的性质与成分有什么关系？改变某些合金的成分后，合金的性质会不会改变？课题二：合金有哪些用途？课题三：常用设备上使用了哪些纯金属和合金？投影范例 1.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。 首先将预先加工成某一形状的这种NT合金，在3001 000 高温下热处理几分钟至半小时，这样NT合金就会记忆被加工成的形状。以后在室温下无论形状怎样变化，一旦将它的温度升至一定温度时，它就会恢复成原来被加工成的形状。 形状记忆合金的结构尚未完全探明，为什么金属会记住某些固定形状的问题也还没有完全搞清楚。据科学家推测，金属的结晶状态，在被加热时和冷却时是不同的，虽然外表没有变化，然而在一定温度下，金属原子的排列方式会发生突变，这称为相变。能引起记忆合金形状改变的条件是温度。分析表明，这类合金存在着一对可逆转变的晶体结构。如含有Ti和Ni各为50的记忆合金，有两种晶体结构，一种是菱形的，另一种是立方体的，这两种晶体结构相互转变的温度是一定的。高于这一温度，它会由菱形结构转变为立方体结构；低于这一温度，又由立方体结构转变为菱形结构。晶体结构类型改变了，它的形状也就随之改变。 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。投影范例2.磁性材料在许多过渡金属元素和它们的化合物中，由于有未成对的d电子存在，所以具有顺磁性，可以被磁场所吸引。Fe、Co、Ni等金属则具有铁磁性，铁磁性物质和顺磁性物质一样，也会被磁场所吸引，但磁场对铁磁性物质的作用力要比顺磁性物质大得多。同时，铁磁性的固体物质在磁场中被磁化以后就已经永磁化了，也就是说，在外加磁场不存在时仍保留磁性。而顺磁性物质只有在外加磁场存在时才表现出磁性。并不是所有含未成对电子的金属都是铁磁性的，如锰有5个未成对电子，铁有4个未成对电子，铁有铁磁性而锰却不具有铁磁性。具有铁磁性的一个必要条件是在晶格中顺磁性的原子之间的距离要正好合适。如果原子靠得太紧密，相邻原子中由于未成对电子占用的轨道会重叠而使自旋相反的电子配对；如果原子相距太远，则一个原子中的未成对电子的自旋就不能与相邻原子中电子的自旋取得一致。 非铁磁性金属可以通过制成各种合金而成为铁磁性的合金。常用的铁磁性合金有硅铁(含硅45)、FeNi合金、FeNiCo合金等。在磁性材料方面，含有某些稀土金属的永磁铁是目前最强的永久磁性材料，已广泛应用于近代各个技术部门，如制造微型电机、各种微波设备、航空和宇宙航行的仪器等。现在，一些工业先进国家正在致力于钕铁硼永磁材料的科研与生产。投影范例 3.金属多孔材料 这类材料是采用事先加工好的球状或不规则的金属(Ti、Mo、W等)粉末，经过压型、烧结等工艺，使金属颗粒既能熔接起来，又能保持由表及里、纵横交错、相互贯通的众多小空隙。这类材料除具有一般金属的性能外，最突出的是透过性强，过滤性能高，经久耐用。适用于制过滤器、流体分布和渗透装置等，也适于作消音和减震材料。随着科学技术的发展，孔径为0.1 m以下的金属多孔材料过滤膜，已普遍用于同位素分离技术、原子反应堆的排气技术、消音器、减震器、催化剂、热交换器、燃料电池的电极等方面。投影范例4.贵金属 人们常把化学性质极不活泼的金属称为贵金属。它们集中在元素周期表中第族、第B族的下部，包括钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)、银(Ag)、金(Au)等。贵金属的特点是密度大、熔点高、化学性质稳定。块状贵金属在常温下都不与氧反应，它们对酸的化学稳定性特别高。由于贵金属显示出化学惰性，在地壳中它们可以游离态存在，所以金和银成为人类最早认识的贵金属。 贵金属主要用于化学工业及电气工业方面。例如，制造各种反应容器、蒸发皿、坩埚、电极、铂网等；铂和铂铑合金制成热电偶常用于高温的测定；铂铱合金可用来制造仪器零件、钢笔等。金和银还经常被制成金币、银币、纪念币和首饰等；黄金储备量还能表示出一个国家的经济实力。分组实践观看视频观看视频观看视频观看视频环节三、正确使用金属材料过渡：我们了解了金属及合金的性质，那么在实际生活中如何使用呢？板书（二）正确使用金属材料思考与交流：如何选用材料？例题剖析（例1）某家庭准备装修窗户，可使用的材料有：木材、钢铁、铝合金、塑钢等，请你调查每种材料的性能、价格、制造或安装成本、利弊，进行分析。你认为选用哪种材料比较好？说说你的理由。提示：选材需要考虑以下几个方面：（1）主要用途 （2）外观 （3）物理性质（密度、硬度、强度、导电性） （4）化学性质（对水的作用、耐腐蚀性） （5）价格 （6）加工难度 （7）日常维修等 可以让学生对自己家庭或某一单位的装潢根据以上提示的几个方面进行调查，写出调查报告，再让学生对学校某会议室提出装潢意见。比一比谁的装潢设计最合理、最美观、最有创意。实践活动 针对是否应该停止使用铝制饮料罐的问题，让学生自选扮演角色，准备好表达自己看法的材料，开一次辩论会。角色扮演要求学生转变角色，真正从所扮演角色的角度去考虑问题，并参加辩论。这可以使学生逐步学会站在他人的立场思考问题，对于培养学生倾听别人的意见，尊重、关心和爱护他人的情感是很有利的。多媒体投影科学视野 稀土元素及其应用 在元素周期表中，第B族第六周期57号元素的位置上，包括从镧到镥15种元素，称为镧系元素。镧系元素和钇称为稀土元素(广义的稀土也包括钪)，这是18世纪沿用下来的名称，因为当时认为这些元素稀有，它们的氧化物既难溶又难熔，因而得名。稀土元素性质相似，并在矿物中共生，难以分离。 稀土元素具有特殊的物质结构，因而具有优异的物理、化学、磁、光、电学性能，有着极为广泛的用途。(1)结构材料 在钢铁中加入适量稀土金属或稀土金属的化合物，可以使钢得到良好的塑性、韧性、耐磨性、耐热性、抗氧化性、抗腐蚀性等等。(2)磁性材料 稀土金属可制成永磁材料，稀土永磁材料是20世纪60年代发展迅速的新型功能材料。如SmCO5、Sm2CO17、Sm2Fe 17N x等磁性能优良的材料。稀土金属能制成磁光存储记录材料，用于生产磁光盘等。(3)发光材料 稀土金属的氧化物可作发光材料，如彩色电视机显像管中使用的稀土荧光粉，使画面亮度和色彩的鲜艳度都提高许多。金属卤化物发光材料能制成节能光源。稀土金属还能制成固体激光材料、电致发光材料等，电致发光材料可用于大面积超薄型显示屏。(4)贮氢材料 用稀土金属制成的贮氢材料广泛用于高容量充电电池的电极。(5)催化剂 在石油化工中，稀土金属主要用于作催化活性高、寿命长的分子筛型的催化剂，可以用于石油裂化、合成橡胶等工业。近来，科学家正致力于研究用稀土金属作为汽车尾气净化的催化剂。(6)超导材料 北京有色金属研究总院发明的“混合稀土钡铜氧超导体”为高温超导体的研究和应用开拓一种新的途径，荣获第23届国际发明展览会金奖。(7)特种玻璃 在石英光导纤维中掺入某些稀土金属，可大大增强光纤的传输能力。 在玻璃工业中，用稀土金属作澄清剂、着色剂，可以使玻璃长期保持良好的透明度。玻璃中若加入某些稀土金属的氧化物可使玻璃染成黄绿色、紫红色、橙红色、粉红色等。稀土金属化合物也常用于陶瓷的颜料。(8)精密