一道關(guān)于“鐵的吸氧腐蝕”的原創(chuàng)題（化學(xué)教學(xué)201205）

1、發(fā)表期刊：化學(xué)教學(xué) 2012年第5期一道關(guān)于“鐵的吸氧腐蝕”的原創(chuàng)題但世輝1 ，李斌2（1.襄陽(yáng)市東風(fēng)中學(xué) ；2. 襄陽(yáng)市教學(xué)研究室，湖北襄陽(yáng) 441004）摘要：利用人教版新教材（選修4）中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)為素材，命制了一道涉及鐵的吸氧腐蝕原理、實(shí)驗(yàn)探究與改進(jìn)等知識(shí)的原創(chuàng)題，并對(duì)試題的命制意圖和解題過程進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：吸氧腐蝕；原創(chuàng)題；命題意圖；解題思路1 原創(chuàng)試題某課外實(shí)驗(yàn)探究小組按照教材中實(shí)驗(yàn)裝置（圖1）探究鋼鐵的吸氧腐蝕：圖1 教材中裝置（1）畫出圖1裝置相應(yīng)的原電池裝置示意圖，并標(biāo)出該原電池的正、負(fù)極以及電子移動(dòng)的方向。（2）該實(shí)驗(yàn)小組按照?qǐng)D1裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，等待了近8分鐘才看到

2、導(dǎo)管中液柱的上升，他們認(rèn)為是反應(yīng)速率太慢的緣故，你認(rèn)為以下哪些措施可以更快更清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（ ），其中不合理的措施可以修改為 。A. 用純氧氣代替具支試管內(nèi)的空氣B用酒精燈對(duì)具支試管進(jìn)行加熱，提高反應(yīng)溫度C將鐵釘用膠水潤(rùn)濕后并蘸取鐵粉和炭粉的混合粉末D用毛細(xì)尖嘴管代替玻璃導(dǎo)管，并向試管的水中滴加少量紅墨水C除了以上選項(xiàng)中的原因可能導(dǎo)致反應(yīng)速率較慢之外，該研究小組還認(rèn)為圖1裝置在組裝過程中必定會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)管內(nèi)液面低于試管中液面，這樣會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)管中液柱上升需要更多的時(shí)間，你認(rèn)為此種說法 （“有”或“沒有”）道理，若沒有道理你的理由是 ，若有道理，你認(rèn)為下列裝置可以消除上述影響的是 。圖 2 改進(jìn)裝

3、置止水夾三通管紅墨水純氧氣鐵釘NaCl溶液a點(diǎn)b點(diǎn)BA（3）該實(shí)驗(yàn)小組利用（2）中的探究結(jié)果將教材中實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多方面的改進(jìn)（圖2，NaCl溶液50mL），最終測(cè)得了以下數(shù)據(jù)（表1）。用Fe2+的濃度變化表示鐵釘在前3分鐘的腐蝕速率（導(dǎo)管直徑為1cm，忽略導(dǎo)管厚度的影響）為 ，根據(jù)表1數(shù)據(jù)你認(rèn)為影響鋼鐵腐蝕的主要因素為 。表1 液柱高度隨時(shí)間的變化（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）時(shí)間/min0.513579液柱高度/cm0.40.82.13.03.74.2（4）為了能夠更加直觀地證明鐵釘腐蝕過程中所發(fā)生的反應(yīng)，該實(shí)驗(yàn)小組在裝置改進(jìn)前按照表2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且取得了滿意的效果，請(qǐng)完成下表。表2 研究小組的實(shí)驗(yàn)探究過程實(shí)

4、驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)結(jié)論向NaCl溶液中滴加23 a點(diǎn) 之后再滴加23滴 b點(diǎn)周圍生成藍(lán)色不溶物b點(diǎn)發(fā)生負(fù)極反應(yīng)根據(jù)表2中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象你認(rèn)為 （填a或b）點(diǎn)較易腐蝕，理由是 。（5）該研究小組認(rèn)為純金屬也可能發(fā)生吸氧腐蝕，于是他們做了以下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：在除去氧化膜的Mg、Al、Zn、Fe4種金屬片上各滴一滴含酚酞的NaCl溶液，數(shù)分鐘后金屬片上按照Mg、Zn、Fe、Al的先后順序均出現(xiàn)了紅色。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)阏J(rèn)為純金屬發(fā)生吸氧腐蝕的快慢與 有關(guān)，鋁片上最后出現(xiàn)紅色的原因在于 。2 命題意圖與人教版老教材相比，新教材（選修4）在“金屬的電化學(xué)腐蝕”一節(jié)內(nèi)容中增加了一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，即鐵釘?shù)奈醺g，目的在于增強(qiáng)

5、學(xué)生對(duì)金屬吸氧腐蝕的感性認(rèn)識(shí)。但就筆者的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來看，該實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及教學(xué)目標(biāo)上均存在一些不足，為了彌補(bǔ)這些不足，筆者命制了此道試題，具體如下：（1）通過此題可將金屬吸氧腐蝕的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及微觀反應(yīng)過程有效地進(jìn)行結(jié)合，比如在第（1）問中教材實(shí)驗(yàn)裝置圖已經(jīng)給出了導(dǎo)管水柱上升這一預(yù)期實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但產(chǎn)生這一現(xiàn)象的本質(zhì)原因是什么？如何讓學(xué)生更清楚地建立本質(zhì)與現(xiàn)象之間的聯(lián)系呢？該問中巧妙地讓學(xué)生畫出原電池裝置示意圖，通過示意圖中的各種標(biāo)記（正、負(fù)極，電子移動(dòng)方向等）便可清晰考察學(xué)生對(duì)吸氧腐蝕原理的掌握情況。（2）試題命制過程中自然而然地將新課程對(duì)學(xué)生提出的能力要求進(jìn)行了考察，比如新課程要求學(xué)生“具有較

6、強(qiáng)的問題意識(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的化學(xué)問題，敢于質(zhì)疑”。試題第（2）問便啟發(fā)學(xué)生敢于向該實(shí)驗(yàn)提出質(zhì)疑，并且利用已有的化學(xué)、物理知識(shí)進(jìn)行推理，接著試題（3）、（4）兩問以此試題為依托繼續(xù)考察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，試題難度自然而然地上升了一個(gè)高度，在這種“爬坡”的過程中將新課程的思想傳遞給了教師和學(xué)生：不僅要提出問題，更應(yīng)該在實(shí)踐中利用已有的知識(shí)解決問題，新課程思想得到了很好地展現(xiàn)。（3）試題命制的過程中融合了本冊(cè)（選修4）教材中的幾大重要知識(shí)點(diǎn)，比如第（3）問的化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素，第（4）問的原電池正負(fù)極反應(yīng)式，第（5）問的金屬活潑性及氧化鋁薄膜等方面，試題雖然以一個(gè)很小的演示實(shí)驗(yàn)為素材

7、，但較全面地考察了學(xué)生對(duì)于所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通的能力。3 試題點(diǎn)評(píng)本題是以金屬腐蝕為背景的一道原創(chuàng)題，涉及化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算及影響因素、金屬腐蝕原理、原電池、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與探究等多方面知識(shí)，著重考察學(xué)生接受與處理信息的能力、表達(dá)能力、思維能力以及與物理知識(shí)間的綜合能力。（1）試題源于教材但又高于教材。試題以教材中實(shí)驗(yàn)為依托通過在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題比如反應(yīng)較慢、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象單一等角度為實(shí)驗(yàn)探究點(diǎn)，促使學(xué)生針對(duì)以上問題進(jìn)行相關(guān)探究并最終找到解決問題的方案，并不是教材實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單再現(xiàn)而是比教材的要求更高，比如第（5）小題純金屬吸氧腐蝕的考察就屬于對(duì)鋼鐵腐蝕的一個(gè)拓展。（2）試題有較強(qiáng)的綜合性。這種綜合性既體現(xiàn)在

8、學(xué)科內(nèi)的綜合又體現(xiàn)在學(xué)科間的綜合。在學(xué)科內(nèi)雖然本題主旨為金屬的吸氧腐蝕，但又涉及到化學(xué)反應(yīng)速率、氧化鋁薄膜等知識(shí)點(diǎn)的考察。在學(xué)科間，第（2）小題很好地體現(xiàn)了物理知識(shí)（壓強(qiáng)）在化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，巧妙地將理化進(jìn)行綜合。（3）問題設(shè)置由教材中熟知的實(shí)驗(yàn)引出，順著實(shí)驗(yàn)探究思路，針對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)遇到的困難進(jìn)行相關(guān)問題的設(shè)置，顯得真實(shí)、自然、適度。同時(shí)所設(shè)置的問題均是考查學(xué)生最基本的知識(shí)和能力，包括在化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素及計(jì)算、電極反應(yīng)式的書寫、吸氧腐蝕的原理、常見物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)等內(nèi)容，這些均屬于高中化學(xué)對(duì)學(xué)生最基本的要求。4 解題思路第（1）題需明白鐵釘中含有Fe（作負(fù)極）和石墨（作正極），根據(jù)較為熟

9、悉的銅鋅原電池裝置圖便可輕松畫出，此題旨在讓學(xué)生明白鋼鐵吸氧腐蝕的原理和微觀過程。第（2）題可由影響化學(xué)反應(yīng)速率的幾大因素進(jìn)行推導(dǎo)，其中A為濃度B為溫度C為固體表面積，但B項(xiàng)直接加熱會(huì)使具支試管內(nèi)溫度持續(xù)升高，導(dǎo)管一端只會(huì)產(chǎn)生氣泡不會(huì)形成氣柱，因此應(yīng)改用水浴加熱，穩(wěn)定具支試管內(nèi)氣壓，D項(xiàng)用尖嘴管代替導(dǎo)管旨在放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以便于明顯觀察到水柱的上升。此外，由于在組裝儀器的過程中不管先塞緊橡膠塞還是先插入導(dǎo)管均會(huì)壓縮具支試管內(nèi)氣體，造成氣壓變大，導(dǎo)管內(nèi)液面下降，最終低于試管中液面。因此若要使氣柱上升就必須填補(bǔ)已經(jīng)下降的高度，自然需要更長(zhǎng)時(shí)間。在選項(xiàng)中提供的幾個(gè)裝置中，ABC均可使具支試管內(nèi)外大氣相

10、通，這樣便可使得導(dǎo)管內(nèi)外液面相平，不影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)。第（3）題根據(jù)氣柱的體積（即O2的體積）可換算出反應(yīng)消耗的O2的物質(zhì)的量，再換算成Fe2+的物質(zhì)的量即可計(jì)算反應(yīng)速率。在后來所測(cè)數(shù)據(jù)中可看出反應(yīng)越來越慢，原因是O2被消耗使其濃度降低的緣故。第（4）問旨在通過檢驗(yàn)正、負(fù)極反應(yīng)的兩種產(chǎn)物（OH和Fe2+）來找出吸氧腐蝕正負(fù)極反應(yīng)發(fā)生的大體位置，也可直觀地推測(cè)出正、負(fù)極反應(yīng)式。由于b點(diǎn)有Fe2+生成，自然b點(diǎn)較易腐蝕，這一實(shí)驗(yàn)也改變了部分師生認(rèn)為較易腐蝕部位發(fā)生在a點(diǎn)這一固有觀念。第（5）問中可根據(jù)題中所給實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（金屬上的溶液顯紅色的先后順序）推導(dǎo)出幾種金屬腐蝕的快慢順序與其金屬活動(dòng)性一致，鋁最慢的原因在于其表面極易形成致密的氧花鋁薄膜從而保護(hù)了內(nèi)層金屬不受腐蝕。5 參考答案NaCl溶液（1）（2）ACD， 用熱水浴替換酒精燈， 有 ，ABC（3）0.79×10-3mol/(L·min)， 氧氣的濃度（4）實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)結(jié)論酚酞指示劑a點(diǎn)附近溶液顯紅色 發(fā)生正極反應(yīng) K3Fe(CN)6溶液b點(diǎn)，理由：此處有藍(lán)色沉淀，說明生成Fe2+，鐵釘已經(jīng)腐蝕（5）金屬活潑性， 原因：裝置容易形成穩(wěn)定的氧化膜，延緩了腐蝕的進(jìn)