武 漢 大 學(xué) 附 屬 中 學(xué)(430072) 李 鼎

湖北省武漢市洪山高級中學(xué)(430074) 江 薇

關(guān)于金屬的電化學(xué)腐蝕,課程標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求為：了解金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的本質(zhì);知道金屬腐蝕的危害;了解防止金屬腐蝕的措施;同時建議教師開展鐵的吸氧腐蝕以及暖貼的設(shè)計等實(shí)驗(yàn)探究活動。在實(shí)際教學(xué)中,人教版高中化學(xué)選修4第4章“金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)”設(shè)計的實(shí)驗(yàn)是直接將浸過飽和食鹽水的鐵釘置于具支試管中觀察現(xiàn)象,該實(shí)驗(yàn)只能讓學(xué)生定性的了解金屬發(fā)生吸氧腐蝕的過程,難以將課標(biāo)要求落到實(shí)處。筆者在結(jié)合已有研究成果的基礎(chǔ)上,利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器將該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn),并有效地應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)中。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1)通過析氫腐蝕、吸氧腐蝕的實(shí)驗(yàn),增強(qiáng)對金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的微觀本質(zhì)的認(rèn)識,完善電化學(xué)的知識體系。

(2)利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器探究吸氧腐蝕,將微觀發(fā)生的反應(yīng)可視化,引導(dǎo)學(xué)生宏觀辨識現(xiàn)象,微觀探究分析本質(zhì),發(fā)展宏觀辨識與微觀探析、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等。

(3)通過對暖寶寶發(fā)熱原理的探究,學(xué)會運(yùn)用化學(xué)知識解決生活中簡單的化學(xué)問題,提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)儀器：朗威數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器(氧氣傳感器、空氣濕度傳感器、壓強(qiáng)傳感器、溫度傳感器)、多功能反應(yīng)容器(自制)、U 型管、T 型連接管、橡皮管、培養(yǎng)皿。

實(shí)驗(yàn)藥品：鐵粉、碳粉、鹽酸(pH＝2)、酚酞、暖寶寶。

3 實(shí)驗(yàn)原理

3.1 實(shí)驗(yàn)探究：析氫腐蝕和吸氧腐蝕一體化實(shí)驗(yàn)

鋼鐵在pH 為2～3左右的環(huán)境中,先以析氫腐蝕為主,一段時間后以吸氧腐蝕為主。在密閉容器內(nèi)(見圖1),裝入一定量的自制鋼鐵樣品(鐵粉和碳粉混合物),連接裝置,檢查裝置氣密性后,將塑料膠頭滴管中的鹽酸滴入容器內(nèi),先發(fā)生析氫腐蝕,一段時間后發(fā)生吸氧腐蝕。

圖1 金屬的電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 拓展實(shí)驗(yàn)：暖寶寶發(fā)熱原理的探究

暖寶寶的主要成分為：碳粉、活性炭、鹽、水、吸水樹脂、蛭石等。暖寶寶工作發(fā)熱是由于鐵碳在電解質(zhì)溶液中形成原電池,發(fā)生吸氧腐蝕,放出熱量。

圖2 暖寶寶發(fā)熱原理的探究裝置圖

在密閉容器中放入暖寶寶(見圖2),容器內(nèi)由于鐵發(fā)生吸氧腐蝕,容器內(nèi)氧氣濃度下降。吸收樹脂本身吸收的水在工作過程中釋放,雖然鐵發(fā)生吸氧腐蝕消耗水,但不足以抵消,容器內(nèi)空氣濕度上升。鐵發(fā)生吸氧腐蝕放出熱量,容器內(nèi)溫度升高。

4 實(shí)驗(yàn)操作

4.1 析氫腐蝕和吸氧腐蝕一體化實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。將7g鐵粉和0.7g碳粉混合均勻,裝入反應(yīng)容器中,連接好實(shí)驗(yàn)儀器,檢查裝置氣密性。將塑料膠頭滴管中的鹽酸擠入反應(yīng)容器中,打開止水夾平衡內(nèi)外氣壓,使U 型管左右液面保持相平,關(guān)閉止水夾,觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

4.2 暖貼發(fā)熱實(shí)驗(yàn)

按圖2連接好實(shí)驗(yàn)裝置,將暖貼打開并裝入反應(yīng)容器中,打開數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),觀察并記錄數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)束,繪制圖像。

5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

5.1 實(shí)驗(yàn)探究：析氫腐蝕和吸氧腐蝕一體化實(shí)驗(yàn)

析氫腐蝕和吸氧腐蝕一體化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表2。實(shí)驗(yàn)中,壓強(qiáng)計顯示的容器內(nèi)壓強(qiáng)變化及氧氣的百分含量變化如圖3所示。

表2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

圖3 實(shí)驗(yàn)中容器內(nèi)壓強(qiáng)及氧氣百分含量的變化

5.2 拓展實(shí)驗(yàn)：暖寶寶發(fā)熱原理的探究

如圖4所示,容器內(nèi)由于鐵發(fā)生吸氧腐蝕,容器內(nèi)氧氣濃度下降。鐵發(fā)生吸氧腐蝕放出熱量,容器內(nèi)溫度升高。暖寶寶中含有吸水樹脂,吸水樹脂本身吸收的水在工作過程中釋放,雖然鐵發(fā)生吸氧腐蝕消耗水,但不足以抵消,容器內(nèi)空氣濕度上升。該實(shí)驗(yàn)展示了化學(xué)在生活中的應(yīng)用,學(xué)生可以感受到化學(xué)給我們的生活帶來了很大的便利。

圖4 暖寶寶發(fā)熱原理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 改進(jìn)的意義

(1)金屬的電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置(見圖1),鹽酸選取合適的濃度,利用壓強(qiáng)傳感器和氧氣傳感器,一次實(shí)驗(yàn)中既可以看到析氫腐蝕的現(xiàn)象又可以看到吸氧腐蝕的現(xiàn)象,方便快捷且將微觀變化可視化,也能更加清晰的讓學(xué)生理解弱酸性條件下也可以發(fā)生吸氧腐蝕這一知識。同時利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù),將實(shí)驗(yàn)的分析由定性的角度到定量的角度,多角度認(rèn)識金屬的電化學(xué)腐蝕過程中的物質(zhì)變化。

(2)在暖寶寶發(fā)熱原理探究實(shí)驗(yàn)中(見圖2),引入氧氣傳感器、空氣濕度傳感器、溫度傳感器等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器,注重定量研究,培養(yǎng)學(xué)生“實(shí)驗(yàn)—現(xiàn)象—數(shù)據(jù)—結(jié)論”的科學(xué)素養(yǎng),打好實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。從宏觀辨識實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對微觀粒子的變化進(jìn)行圖像表征,進(jìn)行微觀探析,最后用符號進(jìn)行表征。在三重表征的基礎(chǔ)上增加圖像表征,實(shí)現(xiàn)四重表征。

(3)利用家用塑料密封罐自制多功能反應(yīng)容器,實(shí)驗(yàn)材料易獲取,體現(xiàn)了變廢為寶的綠色化學(xué)理念,具有儀器組裝方便快捷、裝置氣密性良好、反應(yīng)之后易清洗等特點(diǎn)。