金属材料

现象：用黄铜刻纯铜时，纯铜片上留下明显划痕；反过来用纯铜刻黄铜，黄铜片上几乎没有痕迹。结论：黄铜的硬度大于纯铜，即合金的硬度大于组成它的纯金属。

为什么这样比较是可靠的：硬度的定义就是材料抵抗被刻划的能力，互相刻画属于相互对照，无需任何仪器就能得出可靠的相对结论。注意控制变量：两块金属应厚薄相近、表面同样光洁，用力大小和刻划方向也要相同，否则薄的一块可能因为容易变形而被误判为软。

延伸：这个道理解释了为什么古人用青铜而不用纯铜做兵器，也解释了为什么金饰不是纯金——首饰上的「$18\mathrm{K}$ 金」是金与铜、银的合金，硬度更大、不易变形磨损。

方案：① 用天平测出金属板的质量 $m$；② 把它浸没在盛水的量筒中，用排水法读出体积 $V$（$V = V_2 - V_1$）；③ 按 $\rho = \dfrac{m}{V}$ 算出密度，与两个数据对照。

示例数据与计算：测得 $m = 87\ \text{g}$，量筒读数由 $50\ \mathrm{mL}$ 升到 $80\ \mathrm{mL}$，则 $V = 30\ \mathrm{cm^3}$，$\rho = \dfrac{87\ \text{g}}{30\ \mathrm{cm^3}} = 2.9\ \mathrm{g/cm^3}$，与铝合金吻合，说明不是纯铝。

三处易错：① 金属板必须完全浸没且不能有气泡附着，否则体积偏大、密度偏小；② 读体积时视线要与凹液面最低处齐平；③ 若金属板太大放不进量筒，可改用溢水杯法。思路小结：密度是物质的一种特性，因此测密度是鉴别材料最常用的物理方法，不需要发生任何化学反应。

第一步 · 判断谁参加反应：黄铜含铜和锌。锌的活动性比氢强，能与稀硫酸反应；铜的活动性比氢弱，不与稀硫酸反应。所以放出的氢气全部来自锌。第二步 · 写出并配平化学方程式：$\mathrm{Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow}$。第三步 · 标出已知量与待求量的质量关系。$\mathrm{Zn}$ 为 65，$\mathrm{H_2}$ 为 2。设锌的质量为 $x$：

$\mathrm{Zn} : \mathrm{H_2} = 65 : 2 \qquad x : 0.2\ \text{g}$

第四步 · 列比例式求解：$\dfrac{65}{2} = \dfrac{x}{0.2\ \text{g}}$，解得 $x = \dfrac{65 \times 0.2}{2} = 6.5\ \text{g}$。第五步 · 求质量分数：$\dfrac{6.5\ \text{g}}{10\ \text{g}} \times 100\% = 65\%$。第六步 · 检验单位与合理性：锌 $6.5$ 克小于样品 $10$ 克，质量分数在 $0$ 到 $100\%$ 之间，合理；剩余的铜为 $10 - 6.5 = 3.5\ \text{g}$，占 $35\%$，与结论自洽。答：黄铜中锌的质量分数为 $65\%$。这类题的通用套路：合金里只有一种成分与酸反应，先锁定反应的那一种，再由气体质量反推它的质量，最后除以样品总质量。