【发现与思考的乐趣】金属单元教学杂论

教育 2024-12-05 08:04 湖北

最近一两周，与朋友交流，大家都步入了《金属》章节的教学。闲来有空（高情商的说法：抽出了别人喝咖啡的时间；低情商的说法：牺牲了玩三把游戏的时间。），来聊聊在这一章节中自己对两个问题的思考。（本月强迫自己更新两篇！（其实是补上个月的一篇。。。））

神奇的铜锌合金，你猜我反应不反应

步入金属这一单元，首先就给孩子们介绍了合金是多么多么耐腐蚀。黄铜自然也没少提及。可是一讲到课题二，接下来就开始辨别真假黄金了（黄金与黄铜），抛开其实肉眼仔细看是能看出差距的因素之外，我们的方法就一股脑儿，酸也上了，盐溶液也上了，空气里烧一烧也上了；然后测定黄铜里锌的质量分数的题目也来了。

可是孩子的问题也来了，你前脚刚说的合金化学性质多么多么稳定，后脚黄铜就和这么多物质反应，这不是打脸吗？那究竟哪一种看法是对的呢？

所以如果我们从有序的视角看问题，我们对混合物的认识也应当随着构成微粒间的作用关系，到混合物的状态逐渐深化。

空气是一种混合物，简单的气态混合物，各种分子间主要以色散力（伦敦力）相互吸引，这样的作用力很弱，几乎对彼此是不存在影响的，所以氧气可以保持自己的化学性质几乎不变。

等到液态里的混合物，主要指溶液，随着组成大家的微粒距离的不断拉近，此时就已经产生了相互影响，常见的就是溶剂化作用，即溶剂效应，例如H₂SO₄，HCl，HClO₄的酸性被水拉平了，需要冰醋酸、丙酮来区分；同样的S_N2反应，用了DMF、丙酮替代醇后，速率快上百万倍，也是非质子溶剂对亲核试剂的有更小的溶剂化作用。

那固体里，这样的作用就更加明显了，因此诸如Mg和Pb，La和Ni是可以形成金属互化物的，原子间形成新的金属键，性质也自然发生改变了。（当然有些金属形成合金后会形成低共熔合金，这主要是各种金属不同晶体的紧密混合，导致晶体内应力大，整体能量升高导致，这些合金中各组分由于存在较多未成键的部分，因此依旧存在自身的性质。）

所以来看黄铜，如果真的做实验，其实压根就没气泡，说明此时的锌已不再具有单质的性质。

所以合金的内部组成和性质远比我们想象的要复杂的多，设计题目贴近生活不假，但不能引入错题导致知识前后不统一呀。如果真的要讨论讨论黄铜里锌的质量分数，要不。。。试试测密度？尤里卡！

或者来点硝酸

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老铁，你为何骨质疏松？

每每上到铁的锈蚀，保不齐都要把铁锈和氧化铝进行一番对比，你看氧化铝多好，致密的一层，耐磨耐腐蚀，你个铁锈疏松多孔，本身不帮忙就算了，还要帮倒忙，然后把铁锈批判一番。那么老铁，你为何骨质疏松呢？

可这也不能怪铁锈，查一查氧化铝的身世，自然就知道这是铁锈高攀不起的。

氧化铝有多种变体，其中最稳定的是α-Al₂O₃。其中的O^2-采用hcp堆积，Al³⁺填入三分之二的八面体空隙，这样的结构使得阴阳离子吸引力强，晶格能大，带来Al₂O₃的熔点高，硬度大（没错你家的红宝石蓝宝石其实就是氧化铝（想不到吧！？））。

硬度大自然是一大好事，这样形成的Al₂O₃可以附着在铝表面，不易磨损，大大降低对金属更为致命的电化学腐蚀。

但铁在这方面就不是很给力了，形成的水合氧化铁硬度较低，很容易被磨损或发生破裂，同时这些水合氧化铁也是发生电化学腐蚀的电位中心，会导致生成更多的铁锈，相比之下一个贤内助，一个败家子，结果不言而喻。

第二个可能的原因就是刚才说的晶体内的应力影响，这里归因于铝和铁的氧化态。

铝存在+1和+3两种氧化态，前者主要是和卤素化合时形成的，且极易分解为Al和AlX₃，自然界中更常见的是+3的氧化态，即一种氧化物Al₂O₃。而铁的氧化态有+2，+3和+6，+6价主要是碱性条件下被氧化得到FeO₄^2-，也不予讨论，主要考虑铁氧化时的产物——FeO和Fe₂O₃。因此不难发现，铁在氧化时可能存在Fe(II)，Fe(III)和两种价态的混杂态，而每种价态对应的氧化物晶体又不尽相同，很容易导致各种晶体混在一起（何方圜之能周兮，夫孰异道而相安），导致内应力增大，使得铁锈更容易破裂。

综上两种原因，导致铁锈的特立独行，但是铝的自我保护机制却为我们提供了一种思路：我们能不能让铁表面形成一层致密的氧化膜呢？这个过程如果不能自然实现，那人的聪明才智就在这里体现出来了，所以后面有了铁在浓氧化性酸条件下的钝化，有了铁制品的烤蓝，简单点的有了涂漆涂油。

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