Giáo án Bài 21. Hợp kim

Tạo tình huống có vấn đề, giúp HS nhận ra vì sao người ta thường dùng hợp kim thay vì kim loại nguyên chất và xác định nhiệm vụ học tập của bài.

GV đưa hình ảnh dao inox, khung xe đạp, vỏ máy và thân máy bay, đặt hai câu hỏi: (1) Vì sao dao nhà bếp thường làm bằng thép không gỉ chứ ít khi làm bằng sắt nguyên chất? (2) Vì sao thân máy bay không làm bằng nhôm nguyên chất mà dùng hợp kim của nhôm?

HS dự đoán: thép không gỉ cứng hơn và ít bị gỉ hơn sắt nguyên chất; hợp kim nhôm nhẹ nhưng bền hơn nhôm nguyên chất. Từ đó HS xác định nhiệm vụ: hợp kim là gì, tính chất của hợp kim khác kim loại nền thế nào và gang, thép, duralumin có đặc điểm gì.

HS nêu được khái niệm hợp kim, giải thích được hợp kim khác hợp chất tinh khiết và so sánh được tính chất của hợp kim với kim loại nền.

HS làm việc nhóm 4 với Phiếu học tập số 1. Nhóm quan sát mô phỏng mạng tinh thể trên NeoEdu, trả lời các câu hỏi: (1) Hợp kim gồm những thành phần nào? (2) Nguyên tử C và nguyên tử Cu nằm ở đâu trong mạng tinh thể của Fe và Al? (3) Hợp kim có công thức hoá học cố định như hợp chất không? Vì sao? (4) Khi thêm C vào Fe, độ cứng, độ dẻo và độ dẫn điện thay đổi như thế nào? (5) Mô phỏng cho thấy lớp nguyên tử trong kim loại nguyên chất và hợp kim trượt khác nhau thế nào?

Khái niệm: hợp kim là vật liệu kim loại gồm một kim loại cơ bản và một hoặc nhiều kim loại hoặc phi kim khác.
Cấu tạo: nguyên tử C nhỏ nằm xen giữa các nguyên tử Fe; nguyên tử Cu thay thế một số nguyên tử Al trong mạng tinh thể.
Không có công thức cố định: thành phần của hợp kim nằm trong một khoảng, tuỳ mác vật liệu, nên khác với hợp chất tinh khiết.
So sánh tính chất với kim loại nền: độ bền, độ cứng và khả năng chống ăn mòn có thể tăng; độ dẫn điện và độ dẻo có thể giảm.
Lớp nguyên tử của kim loại nguyên chất trượt dễ, còn trong hợp kim bị các nguyên tử lạ giữ lại nên khó trượt hơn.

HS trình bày được thành phần, tính chất và ứng dụng của gang, thép và duralumin; phân biệt gang và thép dựa trên hàm lượng carbon.

Theo kĩ thuật mảnh ghép: vòng 1, mỗi nhóm nhận một hợp kim (gang, thép hoặc duralumin) và nghiên cứu theo Phiếu học tập số 2 với nội dung trong trang bài học NeoEdu. Các câu hỏi: (1) Nền kim loại và các nguyên tố thành phần là gì? (2) Hàm lượng carbon hoặc thành phần khác là bao nhiêu? (3) Tính chất nổi bật là gì? (4) Ứng dụng tiêu biểu là gì? Vòng 2, HS ghép thành nhóm mới gồm đủ 3 hợp kim, chia sẻ kết quả và hoàn thiện phiếu. Quan sát khay mẫu gang, thép, duralumin do GV duyệt.

Gang: Fe với khoảng 2–5% C khối lượng và một số nguyên tố khác; cứng, giòn, đúc tốt; ứng dụng đúc vỏ máy, ống dẫn.
Thép: Fe với C dưới khoảng 2% và một số nguyên tố khác; thép không gỉ chứa Cr tạo màng bảo vệ, dùng làm dụng cụ nhà bếp, y tế.
Duralumin: hợp kim nhẹ của Al với khoảng 4% Cu và một lượng nhỏ Mg, Mn; nhẹ mà bền; ứng dụng chế tạo thân máy bay.
Ghi chú: ranh giới 2% C và 2–5% C là quy ước của chương trình, không thay thế tiêu chuẩn mác vật liệu cụ thể; thép không gỉ cũng không có nghĩa là không bao giờ ăn mòn trong mọi môi trường.

HS vận dụng khái niệm hợp kim, đặc điểm của hợp kim và công thức tính khối lượng thành phần để giải bài tập nhanh.

Bài 1: Đồng thau là hợp kim chủ yếu của cặp nào? A. Fe–C; B. Al–O; C. Na–Cl; D. Cu–Zn.
Bài 2: Hợp kim có đặc điểm nào? A. Luôn dẫn điện tốt hơn kim loại nền; B. Luôn có tính dẻo lớn hơn kim loại nền; C. Thành phần có thể thay đổi trong khoảng theo mác; D. Luôn có công thức phân tử cố định như hợp chất.
Bài 4: Xét các phát biểu: a) Gang thường giòn hơn thép thích hợp. b) Thép không gỉ không bao giờ ăn mòn. c) Thành phần phụ có thể làm thay đổi cơ tính. d) Phần không phải C luôn là Fe tinh khiết trong mọi thép. HS xác định đúng (Đ) hoặc sai (S).
Bài 6: Trộn 2 kg hợp kim 10% Zn với 3 kg hợp kim 20% Zn, không hao hụt. Tính phần trăm khối lượng Zn của hỗn hợp.

Bài 1: D (đồng thau có nền Cu, thêm Zn; NaCl là hợp chất ion).
Bài 2: C (thành phần hợp kim là vật liệu quy định trong khoảng theo mác, không cố định như hợp chất).
Bài 4: a) Đ; b) S; c) Đ; d) S (độ bền ăn mòn phụ thuộc môi trường, thép có thể chứa Cr, Ni, Mn...).
Bài 6: $m_{\text{Zn}}=2\times 0{,}10+3\times 0{,}20=0{,}80$ kg; khối lượng hỗn hợp 5 kg; $w=\dfrac{0{,}80}{5}\times 100\%=16\%$.

HS vận dụng kiến thức về thành phần và tính chất của hợp kim để lựa chọn vật liệu phù hợp cho từng bộ phận, lập luận nhiều tiêu chí.

GV nêu bốn tình huống: (a) Dụng cụ cắt cần độ cứng cao. (b) Thân máy bay cần nhẹ và bền. (c) Vỏ máy cần đúc thành hình phức tạp, không yêu cầu nhẹ. (d) Đồ dùng hoá chất cần chịu ăn mòn. HS chọn vật liệu cho mỗi tình huống và nêu lí do, đồng thời nói rõ cần thêm dữ liệu nào để chọn chính xác hơn.

a) Thép (có hàm lượng C phù hợp, cứng hơn sắt nguyên chất); lí do: yêu cầu độ cứng.
b) Duralumin; lí do: nhẹ mà bền.
c) Gang; lí do: dễ đúc thành hình phức tạp.
d) Thép không gỉ chứa Cr; lí do: màng bảo vệ giúp chống ăn mòn, nhưng cần kiểm tra môi trường cụ thể.
Kết luận: không chọn vật liệu theo một thuộc tính đơn lẻ; cần xét thành phần, cấu tạo và điều kiện làm việc.