实验：合金化对金属硬度的影响

比较纯金属与其合金，是工业制造物质一章的标准中四实验，它把「合金更强」这个日常观念，连回你在结构与键结里学到的原子排列。在这个实验里，我们要公平地、通过测量来说明：合金比制成它的纯金属更硬。

本指南给出比较一块纯金属与一块其合金的方法、应预期的观察，以及实验试卷所看重的科学过程技能。

目的

探究合金化对金属硬度的影响，也就是比较纯金属与其合金的硬度，例如纯铜与青铜，或纯铁与钢。

仪器与材料

• 一块纯金属（例如铜）
• 一块与之对应、形状与大小相同的合金（例如青铜）
• 钢珠（滚珠轴承）
• 砝码或重物
• 米尺或固定的量度刻度
• 附夹的铁架台，或一根引导重物落下的玻璃管
• 放大镜或以毫米分度的直尺，用来观察凹痕
• 橡皮泥或塑料支座，用来稳稳托住每一块金属

步骤

1. 把纯金属块放在桌面上，把一颗钢珠放在它平坦的表面上。
2. 在金属块旁竖直夹一支米尺，或在钢珠正上方架一根竖直的玻璃管，以引导落下的重物。
3. 把固定的砝码举到钢珠上方的固定高度，放手让它自由落下、击中钢珠。
4. 移走钢珠，检查纯金属表面上所形成的凹痕。用放大镜或毫米直尺量出凹痕的直径（或深度）并记录。
5. 换用合金块重复第 1 至 4 步，保持同一颗钢珠、同一砝码与同一落下高度。
6. 比较纯金属上的凹痕大小与合金上的凹痕大小。
7. 在每块金属未受损的新位置上，把整个比较再重复两三次，取凹痕大小的平均值，使结果更可靠。

预期观察

落下的重物在纯金属表面压出清晰可见的凹痕。当同一重物从同一高度落到合金上时，凹痕明显更小、更浅。

换句话说，在相同条件下，纯金属比合金更容易被压出凹痕。合金更能抵抗这种使其变形的力，表面更接近原来的形状。

请描述你所看到的，纯金属上凹痕较大、合金上凹痕较小，而不要引用你并未测量的精确毫米读数，因为凹痕的大小取决于你所用的具体金属与重物。

推断与结论

凹痕较小意味着表面更强地抵抗压陷，而抵抗压陷正是硬度的含义。既然在相同的重物与高度下，合金比纯金属被压出的凹痕更小，那么合金比纯金属更硬。

原因在于原子的排列。在纯金属里，所有原子大小相同、堆成整齐的层；受力时这些层可以彼此滑动，所以纯金属较软、容易被压出凹痕。

在合金里，一种大小不同的第二元素的原子混入第一种金属的原子之间。这些外来原子扰乱了整齐的层，阻止它们平滑地滑动，所以合金更强、更硬。

结论是：合金化提高了金属的硬度，这正是青铜、黄铜、钢与硬铝等合金被用来代替纯金属制作工具、结构与机器零件的原因。

科学过程技能（试卷三风格）

陈述假设。 一个合适的假设是：合金比制成它的纯金属更硬，所以当同一重物从同一高度落下时，合金被压出的凹痕比纯金属小。

辨认变量。 操纵变量是所用金属的种类（纯金属或其合金）。

反应变量是所形成凹痕的大小（其直径或深度）。固定变量是重物的质量、落下的高度、钢珠的大小，以及金属块的大小与形状。

为硬度作操作性定义。 这里把硬度以操作方式定义为对压陷的抵抗：在同一重物从同一高度落下时，凹痕较小的金属就是较硬的金属。

制表。 画一张表格，设「金属种类」「每次试验的凹痕大小」「平均凹痕大小」等栏，使纯金属与合金能直接比较。

作出推断。 由合金上较小的凹痕，推断合金更硬，并把它连到外来原子扰乱原子层的滑动。

沟通。 写出结论，说明哪一种金属更硬，并从原子排列的角度给出理由，而不只是观察。

安全须知

• 手指与手要远离落下重物正下方的区域，以免重物或钢珠砸伤它们。
• 使用引导管或夹子，使重物笔直落下、不会向旁弹向任何人，防止被偏飞的重物打伤。
• 把仪器放在稳固、水平、远离桌边的桌面上，以免沉重的金属块与重物掉落砸伤脚。
• 戴安全护目镜，因为坚硬的重物击打金属时，可能溅出小碎屑或使钢珠飞向眼睛。

常见错误

• 在两种金属之间改变高度或重物。 若两种金属的落下高度或重物质量不同，比较就不公平；把两者保持完全相同。
• 在已受损的位置上测试。 在同一处落下重物两次会得到更大、具误导性的凹痕；始终在表面的新位置测试。
• 使用厚薄不同的金属块。 薄块与厚块的压陷可能出于与硬度无关的原因而不同；使用大小与形状相同的金属块。
• 随意读取凹痕。 用肉眼估计凹痕会带来很大误差；用毫米刻度或放大镜量出直径或深度，并重复取平均。
• 把硬度与强度或质量混淆。 这个实验测的是对压陷的抵抗，所以要把结果描述为硬度，而不是金属更重或总体更强。

我们的老师如何使用这个实验

在一对一的 SPM化学课堂里，以英文授课、每小时 RM50 起，我们确保学生能把观察与理论连起来，合金上较小的凹痕，以及解释它的被扰乱的原子层，因为试卷二与试卷三都看重理由、而不只是结果。合金化提高硬度这一观念贯穿 SPM化学 的工业制造物质一章，也正是试卷三实验考试（试卷三为实验考试，评估科学过程技能）所评估的那种公平检验推理。

在这里把方法掌握好，一个操纵变量、其余全部固定，也建立起你会在其他每一个实验里再次用到的习惯，从反应速率到电化学。