張高豪

摘要：通過一系列實(shí)驗(yàn)探究鋼鐵吸氧腐蝕過程中的壓強(qiáng)和氧氣濃度的變化、電流的產(chǎn)生、檢驗(yàn)兩極生成的離子和確定能量的轉(zhuǎn)化，從而增強(qiáng)學(xué)生的證據(jù)推理意識(shí)、探究意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理；吸氧腐蝕；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1008-0546（2023）10-0095-03

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.020

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）提出“具有證據(jù)意識(shí)”“學(xué)會(huì)收集各種證據(jù)，對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)及其變化提出可能的假設(shè)，基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，證實(shí)或證偽假設(shè)”[1]。沒有證據(jù)證實(shí)的想法只是假設(shè)，在日常教學(xué)中要注重培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，用證據(jù)推出的結(jié)論才是可靠的，證據(jù)推理是發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要一項(xiàng)。

鋼鐵的電化學(xué)腐蝕是蘇教版選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》專題1化學(xué)反應(yīng)與能量變化第三單元金屬的腐蝕與防護(hù)中的一部分內(nèi)容。電化學(xué)腐蝕包括析氫腐蝕和吸氧腐蝕，學(xué)生容易接受析氫腐蝕，金屬與酸反應(yīng)放出氫氣。教材中只有一個(gè)能顯示吸氧腐蝕裝置內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小的實(shí)驗(yàn)，不能直接體現(xiàn)反應(yīng)減少了什么氣體，生成什么，為什么屬于電化學(xué)腐蝕，學(xué)生對(duì)吸氧腐蝕缺少直觀的感性認(rèn)識(shí)。為了突破吸氧腐蝕這一認(rèn)識(shí)上的難點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，對(duì)鋼鐵吸氧腐蝕進(jìn)行探究。

一、實(shí)驗(yàn)儀器用品

鐵片、砂紙、飽和NaCl溶液、酚酞、K3Fe （CN）6溶液、濾紙、膠頭滴管、試管、鐵粉、石墨粉、鹽酸、電流表、導(dǎo)線、石墨電極、燒杯、三頸燒瓶、氧氣傳感器。

二、實(shí)驗(yàn)探究過程

展示一幅圖片，如圖1所示，模擬鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕。一個(gè)錐形瓶中裝有鐵粉、石墨粉和飽和NaCI溶液，另一個(gè)錐形瓶中裝有鐵粉、石墨粉和鹽酸，分別連接裝有紅墨水的U形管，提出以下問題。

1．圖1中哪個(gè)裝置內(nèi)氣壓減小了，哪個(gè)發(fā)生了吸氧腐蝕，減少的是什么氣體，如何證實(shí)？

學(xué)生很容易判斷出左邊U形管內(nèi)液體發(fā)生倒吸，裝置內(nèi)氣壓減小，發(fā)生了吸氧腐蝕，通過預(yù)習(xí)也知道減少的是氧氣。當(dāng)問到怎樣驗(yàn)證是氧氣減少了時(shí)，教室內(nèi)異常安靜，多數(shù)人無法回答，只有個(gè)別學(xué)生說用帶火星木條去試一試。這種想法值得鼓勵(lì)但難以操作，當(dāng)學(xué)生束手無策時(shí)，教師展示氧氣傳感器，介紹使用方法，告訴學(xué)生用氧氣傳感器可以測裝置內(nèi)氧氣含量的變化，用數(shù)據(jù)證明氧氣確實(shí)被消耗。由于鋼鐵吸氧腐蝕反應(yīng)比較緩慢，需測15 min以上，不適合在教室內(nèi)現(xiàn)場演示，教師可以事先做實(shí)驗(yàn)拍成照片和視頻，在課堂上展示，如圖2、圖3、圖4所示。

2．鋼鐵吸氧腐蝕過程中真的有電流產(chǎn)生嗎？怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證實(shí)？

有學(xué)生說用電流表，教師肯定學(xué)生的想法，并提供電流表、鐵片、石墨棒、導(dǎo)線、燒杯、氯化鈉溶液，讓學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)成原電池裝置，并操作和觀察電流表指針的偏轉(zhuǎn)，從而證實(shí)確有電流產(chǎn)生，如圖5所示。

3．鋼鐵吸氧腐蝕過程中物質(zhì)是如何轉(zhuǎn)化的，生成什么離子，如何檢驗(yàn)生成的離子？

學(xué)生通過閱讀教材知道負(fù)極生成Fe2+，正極生成OH一。檢驗(yàn)OH一用酚酞，檢驗(yàn)Fe2+用什么呢？有學(xué)生說用酸性KMnO4溶液，有CI-時(shí)不適合。

也有學(xué)生說用KSCN溶液和氯水。

教師向?qū)W生推薦一種檢驗(yàn)Fe2+簡單且現(xiàn)象明顯的好方法。鐵氰化鉀溶液遇Fe2+生成藍(lán)色沉淀，常用于Fe2+的檢驗(yàn)，方程式為：2 [Fe（CN）6]3-+ 3Fe2+ =Fe3 [Fe（CN）6]2↓。

由于初次接觸鐵氰化鉀，需要演示一下效果。取事先新制的FeCl2溶液放人試管中，滴加兩滴鐵氰化鉀溶液，不要振蕩試管，可觀察到試管壁上和溶液中都有藍(lán)色沉淀生成，并能觀察到藍(lán)色不溶物在下層的淺綠色FeC12溶液中徐徐沉降，時(shí)間稍長后，不溶物在試管底部聚集，如圖6所示。

教師提供NaCI溶液、鐵片、酚酞、鐵氰化鉀溶液讓學(xué)生設(shè)計(jì)微型實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)鋼鐵吸氧腐蝕生成的離子。

然后學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，用砂紙打磨過的鐵片放在濾紙上，在鐵片的左、中、右三個(gè)位置分別滴加2滴飽和食鹽水，再在左邊食鹽水上滴加1滴鐵氰化鉀溶液、右邊食鹽水滴加1滴酚酞，在中間飽和食鹽水旁邊滴一滴鐵氰化鉀溶液，做空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，半分鐘、一分鐘和兩分鐘分別觀察現(xiàn)象。

可以非常清晰地看到，左邊液滴中心附近鐵片上有藍(lán)色不溶物逐漸增大，宛如眼睛一般晶瑩剔透，右邊液滴邊緣變紅，紅色逐漸變深，漂亮程度不知怎樣形容。從而證實(shí)了缺氧區(qū)生成Fe2+，富氧區(qū)生成OH一，如圖7所示。

4．鋼鐵吸氧腐蝕過程中的能量如何轉(zhuǎn)化的？是不是只有化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能？化學(xué)能有沒有轉(zhuǎn)化成其他形式的能量？

展示暖寶寶的主要成分：鐵粉、活性炭、食鹽、水、蛭石（保溫材料）、吸水性樹脂。一片暖寶寶為什么能快速產(chǎn)生大量熱？播放暖寶寶發(fā)熱原理的視頻，其發(fā)熱原理也是鋼鐵吸氧腐蝕造成的。證實(shí)了鋼鐵吸氧腐蝕過程中化學(xué)能不僅可以轉(zhuǎn)化成電能，還能轉(zhuǎn)化成熱能。鋼鐵吸氧腐蝕有對(duì)人類不利的一面，如果合理利用，也可以造福社會(huì)。

通過以上探究，學(xué)生對(duì)鋼鐵的吸氧腐蝕有了更深入的認(rèn)識(shí)，負(fù)極反應(yīng)：2Fe_4e-=2Fe2+，正極反應(yīng)：02+4e-+2H2O=4OH-。

三、實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

1．體現(xiàn)新課程理念中的證據(jù)意識(shí)、探究意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)

不是想當(dāng)然地把知識(shí)介紹給學(xué)生，而是每一步都要有理有據(jù)。倒吸證明裝置內(nèi)壓強(qiáng)減小、氧氣濃度變小證明氧氣被消耗、電流表指針偏轉(zhuǎn)證明有電流，滴加K3[Fe（CN）6]出現(xiàn)藍(lán)色沉淀證明有Fe2+，酚酞變紅證明有OH一，暖貼發(fā)熱證明有放熱。用看得見的宏觀現(xiàn)象體現(xiàn)微觀的變化，讓學(xué)生口服心服，從而強(qiáng)化證據(jù)意識(shí)。探究貫穿于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，一連串探究實(shí)驗(yàn)環(huán)環(huán)相扣逐漸深入，在探究過程中引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考和感悟創(chuàng)新的魅力。不再是教材中的幾段文字，而是完全不同的新情景。

2．實(shí)驗(yàn)簡捷直觀易操作有利于進(jìn)入常規(guī)課堂

實(shí)驗(yàn)如何走進(jìn)常規(guī)課堂，而不是停留在公開課上，一直很困擾。準(zhǔn)備一節(jié)公開課、示范課、觀摩課可能需要一個(gè)月的時(shí)間，大量的實(shí)驗(yàn)儀器用品特別是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)儀器用品，很難搬到教室里，造成公開課與常規(guī)課落差巨大。本節(jié)課用到的實(shí)驗(yàn)儀器用品不多，一個(gè)人就可以把演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)的所有物品帶到教室里，檢驗(yàn)鋼鐵吸氧腐蝕生成離子的分組實(shí)驗(yàn)每組只需幾滴溶液，且成功率百分之百。另外把不易帶人課堂的直接證據(jù)用圖片或視頻的形式再現(xiàn)，再把間接證據(jù)進(jìn)行篩選加工，能提高課堂效率。[2]在教室大屏幕上展示，能達(dá)到更好的效果，不用網(wǎng)上已有的實(shí)驗(yàn)視頻材料。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部．普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，201 8．

[2] 蔣玉華，基于化學(xué)微課培養(yǎng)“證據(jù)推理”的學(xué)科素養(yǎng)——以“硝酸的性質(zhì)”為例[J]．化學(xué)教與學(xué)，2020（2）：68-70．