金屬的性質與用途

基礎

金屬有光澤、導電、導熱、可延展。不同金屬性質不同,所以有不同用途:銅導電好做電線、鋁輕做窗框、鐵硬做橋樑。合金(例如鋼、黃銅)可以改良性質。

適合:中三科學 · 單元:我們的地球 · 建議學習路徑第 4/11 課

學完呢課,你會識:
  • 金屬:光澤、導電、導熱、延展、敲響
  • 性質決定用途(銅電線、鋁窗、鋼橋)
  • 合金 = 金屬+其他元素,改良性質
科學Science

§課文原文 Passage

1金屬在日常生活中無處不在,由鐵閘、鋁窗到銅線和不鏽鋼廚具,都是金屬製成的。金屬具有幾項通性:表面有金屬光澤,能導電,能導熱,有延展性,可以被錘打成片或拉長成線而不易破裂,敲擊時還會發出響亮的聲音。常溫下絕大多數金屬是固體,水銀是唯一液態的例外。

2不同金屬各有擅長之處,選材的原則是把性質與用途配對:銅的導電能力極佳,用來製造電線;鋁質輕、導熱良好又耐蝕,適合製造飛機部件和窗框;鋼堅硬而強度高,用於橋樑和鋼筋。金屬的密度和熔點差別也很大:鋁的密度約為每立方厘米 2.7 克,屬於輕金屬;鎢的熔點超過 3400°C,用於燈泡燈絲。

3純金屬的性質未必合用。純鐵太軟,加入碳製成鋼才夠硬夠強;純鋁太軟,須製成鋁合金才能用於機翼;純金也偏軟,首飾多混入銅或銀以增加硬度。合金是把一種金屬混入其他元素而成的材料,加入的原子令整齊的金屬原子層難以互相滑動,材料因此變得更硬更強,更能應付日常磨損。

4金屬另一個重要優點是可以循環再造。開採和提煉金屬耗用大量能源,並且破壞自然環境;把用過的金屬分類回收,可以大幅節省資源,例如循環再造鋁所耗的能量,只及從鋁礦重新提煉的約 5%。金屬重熔後性質不變,可以反覆回收,屬於可持續使用的材料,養成分類回收的習慣,也是減輕環境負擔的實際行動。

1重點摘要 Summary

金屬有光澤、導電、導熱、可延展。不同金屬性質不同,所以有不同用途:銅導電好做電線、鋁輕做窗框、鐵硬做橋樑。合金(例如鋼、黃銅)可以改良性質。

2生字卡 Vocabulary

M
Malleable可延展

可以錘扁或拉長而不裂開,例如金可以打成金箔。

C
Conductor導體

傳導電或者熱的物質。金屬是好的導體。

A
Alloy合金

金屬和其他元素混合而成,例如鋼(鐵+碳)、黃銅(銅+鋅)。

S
Sonorous響亮

敲打時發出響聲,例如鐘、鑼。

L
Lustre光澤

金屬表面反光的能力,打磨後尤其明顯。

D
Ductile可拉伸

可以拉長成線而不斷,例如銅拉成電線。

E
Electrical conduction導電性

物質傳導電流的能力;金屬之中銅特別好,適合做電線。

T
Thermal conduction導熱性

物質傳導熱的能力,用於鑊、煲等煮食用具。

S
Steel鋼

鐵加碳製成的合金,又硬又強,用於橋樑和大廈。

3逐步講解 Steps

  1. 記住金屬六大通性金屬的通性包括:表面有金屬光澤、能導電、能導熱、有延展性、敲打時發出響亮聲音,而且常溫下多數是固體——水銀是唯一液態的例外。鈉和鉀雖然是金屬,卻軟得可以用刀切開,可見通性之外仍有個別差異。這些通性源於金屬內部充滿可以自由流動的電子,它們同時解釋了金屬善於導電和導熱的原因。
  2. 性質與用途配對選擇材料其實是把性質與用途配對:銅的導電能力極佳,用來製造電線;鋁導熱良好又質量輕,適合造鑊和飛機;鋼堅硬而強度高,用於橋樑和鋼筋。作答時要寫出「性質、原因、用途」三個部分,並舉實例支持,三項缺一不可,這是此類題目的標準得分結構,練習時宜逐項對照檢查。
  3. 純金屬未必最好純金屬的性質未必合用:純鐵太軟,加入碳製成鋼才夠硬夠強;純鋁太軟,須製成鋁合金才能用於機翼和窗框;純金同樣偏軟,首飾多混入銅或銀以增加硬度。所以日常用品大多採用合金而非純金屬,原因是合金內部的原子層難以互相滑動,材料因此變得更硬更強,更能應付日常磨損。
  4. 合金原理合金是把一種金屬混入其他元素而成的材料。加入的原子大小與原金屬不同,令整齊的金屬原子層難以互相滑動,材料於是更硬更強,例如鋼是鐵混入碳、黃銅是銅混入鋅。這個「阻礙滑動」的原理是理解合金性質的核心,也解釋了為什麼合金的用途往往比純金屬更廣泛,成為日常生活的主力材料。
  5. 密度與熔點的差異不同金屬的密度和熔點差別很大:鋁的密度約為每立方厘米 2.7 克,屬於輕金屬,適合造飛機和單車架;鐵的密度約為 7.9;鎢的熔點超過 3400°C,用於燈泡的燈絲;水銀的熔點約為攝氏零下 39 度,常溫下呈液態,用於溫度計。選材時,密度和熔點與強度、導電性一樣,都是重要的考量指標。
  6. 金屬與回收開採和提煉金屬耗用大量能源,還會破壞自然環境;把用過的金屬分類回收,可以大幅節省資源——循環再造鋁所耗的能量,只及從鋁礦重新提煉的約 5%。金屬重熔後性質不變,可以反覆回收,因此屬於可持續使用的材料;養成分類回收的習慣,也是每個人減輕環境負擔的實際行動。

4圖解 Diagrams

金屬活性序Reactivity seriesK鉀Na鈉Ca鈣Mg鎂Al鋁Zn鋅Fe鐵Pb鉛Cu銅Ag銀Au金活性高 High與水/酸猛烈反應中等 Medium與酸反應活性低 Low唔反應(天然單質)置換:鐵釘放入硫酸銅 Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu
圖 1:金屬活性序

5例題示範 Example

為什麼電線用銅而不用鐵?為什麼飛機用鋁合金而不用鋼?

  1. 電線:要導電好+不易生鏽 — 銅導電比鐵好,而且抗氧化
  2. 飛機:要輕+夠強 — 鋼太重,鋁合金輕身又夠硬
  3. 延伸:純金太軟,首飾多混入銅或銀增加硬度
  4. 結論:選材料看「性質配對用途」
  5. 答案:銅的導電性遠勝鐵,且抗氧化不易生鏽,所以電線用銅;鋼雖硬但密度大、太重,鋁合金則質輕而強度足夠,所以飛機用鋁合金。可見選材的原則是「按用途需要配對性質」,並在重量、成本、耐用度之間取得平衡;作答時宜每項均寫出性質、原因和用途三個要點。並補充鋼、黃銅、不鏽鋼等合金實例。

6常見錯誤 Mistakes

✗ 以為合金是一種純金屬
✓ 合金是混合物:金屬+其他元素。鋼是鐵+碳,不是純鐵。
✗ 以為所有金屬都硬
✓ 鈉同鉀軟到可以用刀切;硬度差別好大。
✗ 以為所有金屬都會被磁鐵吸引
✓ 只有鐵、鎳、鈷等少數金屬有磁性;銅、鋁、金、銀都不會被磁鐵吸引,所以磁鐵不能用來檢驗所有金屬。
✗ 以為所有金屬都很重
✓ 金屬的密度差異很大:鋁約 2.7 g/cm³,鋰更可浮於水面;鐵約 7.9 g/cm³。飛機和單車選用鋁合金,正是取其輕身。

75 題快測 Quick check

Q1寫出金屬兩個通性和對應用途。

Q2鋼是什麼的合金?加入什麼元素?

Q3為什麼純鐵不直接用來做工具?

Q4常溫下唯一呈液態的金屬是什麼?它有什麼用途?

Q5回收鋁為什麼比從鋁礦提煉新鋁環保?

8重點回顧 Recap

  • 金屬:光澤、導電、導熱、延展、敲響
  • 性質決定用途(銅電線、鋁窗、鋼橋)
  • 合金 = 金屬+其他元素,改良性質
  • 常溫下多數金屬是固體,水銀是液態例外
  • 合金更硬:加入的原子令金屬原子層難以滑動

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