田向農(nóng)

本文以高中化學(xué)“金屬材料的腐蝕與防護(hù)”為例，闡述基于問(wèn)題情境的高中化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

一、教學(xué)內(nèi)容

“金屬材料的腐蝕與防護(hù)”章節(jié)介紹了金屬電化學(xué)腐蝕的相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)本章節(jié)的學(xué)習(xí)能夠幫助學(xué)生加深對(duì)金屬腐蝕現(xiàn)象的了解，并且學(xué)會(huì)運(yùn)用化學(xué)知識(shí)來(lái)解決生活中的問(wèn)題或解釋生活中的現(xiàn)象。在學(xué)習(xí)本章節(jié)之前，學(xué)生已經(jīng)了解了金屬腐蝕的一些必要條件，以及原電池、電解池的形成原理和金屬的還原性與活潑性等知識(shí)點(diǎn)。本章節(jié)教學(xué)利用貼近實(shí)際生活的情境引導(dǎo)學(xué)生從生活的角度分析問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)概念知識(shí)的理解。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.了解常見(jiàn)的金屬腐蝕及其危害性，掌握金屬腐蝕現(xiàn)象的本質(zhì)以及類型。

2.利用物質(zhì)反應(yīng)原理的學(xué)習(xí)過(guò)程解決實(shí)際問(wèn)題，認(rèn)識(shí)到金屬腐蝕的類型、條件、原理等，并且學(xué)會(huì)電極反應(yīng)式與總反應(yīng)式的書(shū)面表達(dá)。

3.利用合作探究、問(wèn)題討論等方式，以辯證的角度認(rèn)識(shí)金屬腐蝕，并從科學(xué)技術(shù)與人類社會(huì)發(fā)展間的關(guān)系這一角度分析金屬防護(hù)的重要意義，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

三、教學(xué)實(shí)施

（一）問(wèn)題情境的設(shè)計(jì)與導(dǎo)入

在學(xué)習(xí)本課前，學(xué)生對(duì)金屬的腐蝕有一定了解，如生活中就見(jiàn)過(guò)金屬腐蝕后的形態(tài)，根據(jù)初中化學(xué)的學(xué)習(xí)也掌握了鐵腐蝕的化學(xué)方程式和原理。因此，在問(wèn)題情境的設(shè)計(jì)上，選擇貼近學(xué)生生活認(rèn)知和既有知識(shí)展開(kāi)：“從一開(kāi)始的暖水袋，到如今的電暖寶，人們?yōu)榱巳∨l(fā)了各種奇思妙想，這些物美價(jià)廉的產(chǎn)品為我們帶來(lái)了很多生活上的便利。小瑩也買(mǎi)了一個(gè)電暖寶。在使用一段時(shí)間后，細(xì)心的她發(fā)現(xiàn)了電暖寶在充電的時(shí)候會(huì)逐漸膨脹，就好像里面充了氣一樣。耐不住心里的疑惑，她打算將暖寶拆開(kāi)看一看。這一看不要緊，里面都是臟臟的液體，著實(shí)把她嚇了一大跳。于是小瑩將電暖寶里面的臟水都倒了出來(lái)，重新?lián)Q上了干凈的自來(lái)水，這一幕剛巧被媽媽看到。她及時(shí)制止并告知小瑩這樣做十分危險(xiǎn)。這讓小瑩很疑惑。你知道電暖寶的發(fā)熱原理嗎？里面倒出來(lái)的臟臟的液體究竟是什么？為什么換成干凈的自來(lái)水不行而且會(huì)很危險(xiǎn)？相信這些問(wèn)題是不少學(xué)生曾經(jīng)有過(guò)的。教師可為學(xué)生展示提前準(zhǔn)備好的電暖寶包裝，讓學(xué)生觀察包裝并找到電暖寶的成分表，根據(jù)成分表來(lái)探究問(wèn)題的答案。

（二）情境探究與討論

上述問(wèn)題情境提供了一個(gè)探究電暖寶成分以及發(fā)熱原理的話題，其本質(zhì)則是金屬的腐蝕。之后讓學(xué)生根據(jù)問(wèn)題情境，以小組為單位設(shè)計(jì)一個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案，以此來(lái)探究問(wèn)題。學(xué)生根據(jù)電暖寶包裝中的說(shuō)明書(shū)能夠了解到，電暖寶的成分包含水、鐵粉、活性炭、食鹽、蛭石、吸水性樹(shù)脂。其中，水和鐵粉是導(dǎo)致液體臟的主要原因，同時(shí)也是電暖寶發(fā)熱的基本原理，但其中也出現(xiàn)了一個(gè)陌生的材料——蛭石。教師需要為學(xué)生講解蛭石是一種硅酸鹽，一般用作保溫材料。這也能了解到電暖寶的發(fā)熱原理為，鐵粉與水和氧氣發(fā)生反應(yīng)，化學(xué)方程式為2Fe+O2+2H2O===2Fe（OH）2。而且這是一個(gè)放熱的過(guò)程，即在反應(yīng)過(guò)程中逐漸釋放出熱量，并且反應(yīng)過(guò)程中會(huì)形成原電池，加速放熱反應(yīng)。之后引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)化學(xué)方程式2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2進(jìn)行發(fā)熱原理的驗(yàn)證與總結(jié)。學(xué)生以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)想。首先引導(dǎo)學(xué)生思考：電暖寶在充電和使用的時(shí)候，什么時(shí)候開(kāi)始放熱的？化學(xué)反應(yīng)物可能是哪些物質(zhì)？學(xué)生經(jīng)過(guò)討論可以得出，鐵被氧氣氧化，或被水中的氫離子氧化，二者都有可能。根據(jù)學(xué)生的猜想和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可以了解到，電暖寶中的鐵粉、水、鹽等物質(zhì)組成了一個(gè)原電池，可以在通電后快速加熱。教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)這一結(jié)論設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)探究的方案，如圖1所示。

之后可以提出問(wèn)題，在電暖寶加熱過(guò)程中，正極有氧氣參與，那么正極的產(chǎn)物是什么？如何去驗(yàn)證呢？在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，F(xiàn)e（OH）2是一種白色物質(zhì)，但在與水、氧氣等發(fā)生反應(yīng)后則會(huì)生成紅褐色的Fe（OH）3或Fe2O3。之后為學(xué)生解釋，結(jié)合X射線衍射法對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行的分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物也就是紅褐色附著物為Fe2O3，而根據(jù)電暖寶使用時(shí)放熱的過(guò)程來(lái)看，F(xiàn)e（OH）3脫水后會(huì)形成Fe2O3·xH2O。學(xué)生在這一過(guò)程中就可以觀察到有鐵銹生成。

（三）認(rèn)知模型構(gòu)建

在了解電暖寶發(fā)熱與金屬腐蝕之間的聯(lián)系后，還要建立探究物質(zhì)反應(yīng)原理的認(rèn)知模型，分析原電池的反應(yīng)過(guò)程，啟發(fā)學(xué)生正確看待金屬腐蝕過(guò)程中的得與失，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀想象到微觀觀察等多個(gè)角度分析問(wèn)題。如提出主題：通過(guò)模型來(lái)解釋鋼鐵在海水中的腐蝕原因。鋼鐵的主要成分是一種鐵碳合金，而鐵和碳在與海水接觸時(shí)，會(huì)與海水中的氯化鈉等元素構(gòu)成原電池，從而導(dǎo)致鐵的腐蝕分解。之后繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生，如果在電解質(zhì)溶液中加入酸或堿，此時(shí)的電極反應(yīng)又如何？教師根據(jù)這一問(wèn)題帶領(lǐng)學(xué)生分析金屬腐蝕的本質(zhì)。在這一過(guò)程中，吸氧和析氫腐蝕是鋼鐵腐蝕的主要原理。一般情況下，這兩種腐蝕情況會(huì)相伴而生，但大多是其中一種為主。自然環(huán)境具有一定的復(fù)雜性，這對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)也常面臨著不同類型的腐蝕，但金屬腐蝕過(guò)程中是否就一定形成原電池，這也是需要重點(diǎn)探究的問(wèn)題。根據(jù)這一問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)腐蝕的定義和電化學(xué)腐蝕兩個(gè)角度展開(kāi)類比分析。經(jīng)過(guò)討論，學(xué)生能了解到，化學(xué)腐蝕是金屬與氧化物質(zhì)直接接觸而產(chǎn)生，電化學(xué)腐蝕則是不純金屬和電解質(zhì)溶液、氧化劑接觸時(shí)形成，前者不會(huì)產(chǎn)生電流，而后者則會(huì)產(chǎn)生微弱電流，反應(yīng)速率也有所不同，化學(xué)腐蝕較小，電化學(xué)腐蝕速率更大。此外，化學(xué)腐蝕的結(jié)果只是金屬被氧化，而電化學(xué)腐蝕的情況下，不純金屬中較活潑的金屬會(huì)被氧化。需要強(qiáng)調(diào)，自然界中其實(shí)多數(shù)金屬都是不純的，因此，電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕的主要形式，其本質(zhì)與化學(xué)腐蝕相同，主要的區(qū)別便是反應(yīng)速率不同。

（四）合作探究

根據(jù)上述的學(xué)習(xí)過(guò)程，學(xué)生基本掌握了電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕的區(qū)別，也了解了金屬腐蝕的原理與過(guò)程。之后，教師可以從概念認(rèn)知過(guò)渡到實(shí)驗(yàn)探究，帶領(lǐng)學(xué)生動(dòng)手操作，以實(shí)踐的方式檢驗(yàn)新知。首先，引出實(shí)驗(yàn)的目的“根據(jù)剛剛的學(xué)習(xí)我們能了解到，鋼鐵的腐蝕是鋼鐵與空氣中的氧氣、水蒸氣等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致，那空氣中的水和氧氣是如何使鋼鐵生銹的呢？”借此帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行金屬電化學(xué)腐蝕的實(shí)驗(yàn)探究，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境：鋼鐵制品一般是含碳的鐵合金，在干燥的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間都不會(huì)生銹，但如果在濕度較大的環(huán)境下存放則很容易生銹變紅。那鋼鐵生銹的原因是什么呢？電化學(xué)腐蝕的原理又是什么呢？實(shí)驗(yàn)需要提前準(zhǔn)備好鐵粉、碳粉、水、稀鹽酸、鹽以及試管等材料和工具。先將鐵粉中加入少量的碳粉，混合攪拌后撒入內(nèi)壁用稀鹽酸與氯化鈉潤(rùn)濕過(guò)的兩個(gè)試管中，并分別標(biāo)記。學(xué)生根據(jù)金屬電化學(xué)腐蝕的原理以及設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行動(dòng)手實(shí)踐，在混合并加入鐵粉和碳粉的導(dǎo)管加入幾滴紅墨水，觀察試管中水柱的變化以及其他現(xiàn)象。學(xué)生思考：導(dǎo)管中水柱變化說(shuō)明了什么現(xiàn)象？鐵粉中加入碳粉有什么作用？學(xué)生通過(guò)觀察能夠得出結(jié)論：導(dǎo)管中水柱的液面升高表示試管中的氣體被消耗，壓強(qiáng)降低所導(dǎo)致，而液面降低則表示試管中有氣體生成，壓強(qiáng)增大，碳粉是正極，和鐵粉形成原電池，可以加快金屬的電化學(xué)腐蝕。最后可以讓學(xué)生根據(jù)原電池原理以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程，寫(xiě)出電極反應(yīng)式以及電池反應(yīng)的化學(xué)方程式。

（五）案例分析

教師借助案例設(shè)計(jì)真實(shí)問(wèn)題情境，讓學(xué)生在情境中探討電化學(xué)腐蝕帶來(lái)的危害以及腐蝕保護(hù)的必要性，從宏觀的角度出發(fā)，探討化學(xué)與生產(chǎn)和生活的關(guān)系，學(xué)會(huì)如何從客觀的角度分析利害。如“全世界 每年由于金屬腐蝕造成的直接損失約占各國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的2%～4%，因此，金屬的防護(hù)至關(guān)重要，對(duì)此你有什么啟發(fā)和建議嗎？”學(xué)生在思考問(wèn)題時(shí)，教師需要引導(dǎo)學(xué)生從辯證的角度出發(fā)，這也是認(rèn)識(shí)問(wèn)題、解決問(wèn)題的基本思路。即教師需要引導(dǎo)學(xué)生從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，結(jié)合化學(xué)知識(shí)和金屬腐蝕的原因試著思考如何防止或延緩金屬的腐蝕過(guò)程。有的學(xué)生表示可以對(duì)金屬表面噴漆，隔絕金屬與氧氣及氧化物的接觸，就能避免金屬腐蝕。還有的學(xué)生表示可以制作合金。也有的學(xué)生想到將金屬作為原電池的副極或電解池的陰極，提出了一個(gè)新的思路。之后可以為學(xué)生科普陰極保護(hù)法。該方法是電化學(xué)保護(hù)法中的一種，可以細(xì)分為犧牲陽(yáng)極保護(hù)法、外加電流保護(hù)法兩種，通過(guò)外加直流電源等方式對(duì)金屬進(jìn)行保護(hù)。從腐蝕保護(hù)的角度來(lái)看，基本思路有四種，分別為覆蓋保護(hù)層、改變組成結(jié)構(gòu)、電化學(xué)防護(hù)、改善腐蝕環(huán)境等，其中覆蓋保護(hù)層可以將被保護(hù)金屬與腐蝕性介質(zhì)進(jìn)行技術(shù)性隔離，可以選擇金屬保護(hù)層或非金屬保護(hù)層，如聚乙烯、聚氨酯等；改變組成結(jié)構(gòu)就是加入合金元素，提高金屬的耐腐蝕性，減緩金屬的腐蝕速度，如可以在鋼鐵中加入鎳，制作成不銹鋼；電化學(xué)防護(hù)是上述的兩種陰極保護(hù)法；改善腐蝕環(huán)境也能減少金屬腐蝕的損失，如降低腐蝕介質(zhì)的濃度、去除介質(zhì)中的氧、控制環(huán)境溫濕度等，也可以采用緩蝕劑來(lái)防止金屬腐蝕。金屬腐蝕的防護(hù)方法如圖2所示。

（六）拓展練習(xí)

在掌握電化學(xué)腐蝕的原因與保護(hù)后，可以通過(guò)拓展習(xí)題幫助學(xué)生鞏固知識(shí)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)學(xué)習(xí)的學(xué)以致用。

1.下列敘述不正確的是（? ）

A.金屬的電化學(xué)腐蝕相較于化學(xué)腐蝕更普遍

B.鋼鐵在干燥的環(huán)境下不容易被腐蝕

C.鋁制鉚釘鉚接鐵板的情況下，鐵板更容易被腐蝕

D.通過(guò)犧牲鋅塊的方式能夠?qū)Υ贿M(jìn)行腐蝕保護(hù)

2.當(dāng)鋼鐵出現(xiàn)吸氧腐蝕時(shí)，正極部分的電極反應(yīng)式為（? ）

A.Fe2++2e-=== Fe

B.2H++2e-=== H2↑

C.Fe3++e-=== Fe2+

D.2H2O+O2+4e-=== 4OH-

3.將金屬A和金屬B分別放入稀硫酸中，同時(shí)生成了氫氣，而將兩個(gè)金屬相連，再投入稀硫酸中，發(fā)現(xiàn)金屬A被腐蝕，金屬B未被腐蝕，關(guān)于這一現(xiàn)象敘述正確的是（? ）

A.金屬A的活動(dòng)性＞金屬B的活動(dòng)性

B.金屬A的還原性＜金屬B的還原性

C.在第二次投入稀硫酸中時(shí)，金屬A產(chǎn)生了還原反應(yīng)，金屬B則發(fā)生氧化反應(yīng)

D.金屬B的表面產(chǎn)生氣泡，金屬A表面無(wú)明顯氣泡產(chǎn)生

四、教學(xué)反思

本節(jié)課通過(guò)問(wèn)題情境的設(shè)計(jì)帶領(lǐng)學(xué)生分析生活中的金屬腐蝕問(wèn)題，并根據(jù)這一思路探究電化學(xué)腐蝕與化學(xué)腐蝕的區(qū)別，通過(guò)情境探究、合作討論、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、案例分析等方式培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)以及辯證思維，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，建立物質(zhì)反應(yīng)原理的思維模型。在教學(xué)實(shí)踐中，教師應(yīng)堅(jiān)持知識(shí)教學(xué)與價(jià)值觀引領(lǐng)并行的理念，在帶領(lǐng)學(xué)生探索金屬腐蝕的原理與化學(xué)知識(shí)時(shí)，也要從金屬腐蝕保護(hù)的角度分析化學(xué)與人類生產(chǎn)和生活之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的精神以及環(huán)境保護(hù)的意識(shí)。

（作者單位：甘肅省隴南市徽縣第一中學(xué)）

編輯：常超波