人教課標(biāo)實驗版 全市一等獎

金屬電化學(xué)腐蝕的實驗探究金屬的電化學(xué)腐蝕是高二化學(xué)新教材(人教版)“原電池原理及其應(yīng)用”一節(jié)的教學(xué)難點，教師按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法向?qū)W生講清楚鋼鐵在潮濕空氣里形成原電池時正、負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)并不容易。筆者在教學(xué)實踐中采用實驗探究式教學(xué)，把課堂教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生通過自主活動來探究金屬電化學(xué)腐蝕的一些規(guī)律，既有助于理解、鞏固化學(xué)知識，又能培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和探究精神。1金屬電化學(xué)腐蝕的反應(yīng)原理金屬在潮濕空氣里形成無數(shù)微小的原電池而被腐蝕時，金屬總是作為原電池的負(fù)極(在腐蝕電池中常稱為陽極)，發(fā)生氧化反應(yīng)；金屬中較不活潑的能導(dǎo)電的雜質(zhì)則作為原電池的正極(在腐蝕電池中常稱為陰極)，發(fā)生還原反應(yīng)。由于金屬接觸到的電解質(zhì)溶液的酸度不同，正極上的反應(yīng)主要有2H++2e-=H2(析出氫氣)和2H2O+O2+4e-=4OH-(吸收氧氣)2類，因而分別稱為析氫腐蝕和吸氧腐蝕。由于O2/OH-電對的電極電勢大于H+/H2電對的電極電勢，即使金屬表面吸附著弱酸性水膜，只要空氣中的氧氣不斷溶解于水膜，則金屬的吸氧腐蝕仍然是主要的。一些學(xué)生對金屬吸氧腐蝕的反應(yīng)原理缺乏理解，例如他們常把鋼鐵吸氧腐蝕的負(fù)極反應(yīng)寫成Fe－3e-=Fe3+，又對正極反應(yīng)的產(chǎn)物半信半疑。幫助學(xué)生析疑解惑的有效辦法是進行實驗探究，驗證鋼鐵吸氧腐蝕在兩極反應(yīng)的產(chǎn)物。[探究問題]用什么裝置和試劑可以驗證鋼鐵吸氧腐蝕在兩極反應(yīng)的產(chǎn)物?[討論](1)構(gòu)成原電池的條件，選用鐵絲和碳棒作電極，NaCl溶液為電解質(zhì)溶液；(2)檢驗Fe3+、Fe2+、OH-離子的試劑，分別用LKSCN溶液、LK3〔Fe(CN)6〕溶液和酚酞溶液，以下均相同。[學(xué)生實驗]用導(dǎo)線連接鐵絲和碳棒，分別插入盛有NaCl溶液的U型管的2個支管中。放置數(shù)分鐘，在插入鐵絲的支管中滴入1滴～2滴KSCN溶液，未顯紅色，證明沒有Fe3+離子生成；改為滴入1滴～2滴K3〔Fe(CN)6〕溶液，則生成藍(lán)色沉淀，證明有Fe2+生成。在插入碳棒的支管中滴入酚酞溶液，碳棒周圍溶液顯紅色，證明有OH-離子生成。將該裝置放置一段時間，U型管底部出現(xiàn)紅褐色沉淀。[總結(jié)]學(xué)生經(jīng)過親手實踐，印象深刻，理解透徹，容易按教師的要求歸納以下知識要點：(1)鋼鐵吸氧腐蝕的電極反應(yīng)式；(2)生成鐵銹的化學(xué)方程式；(3)進一步思考：若把碳棒換成鋅片再進行實驗，現(xiàn)象及結(jié)論又怎樣?2金屬電化學(xué)腐蝕中氧氣的影響在金屬的吸氧腐蝕過程中，氧氣的作用十分重要。上述實驗體現(xiàn)了金屬的成分與電極反應(yīng)的關(guān)系，還不能體現(xiàn)氧氣濃度對金屬腐蝕的影響。為了使學(xué)生進一步認(rèn)識金屬吸氧腐蝕的機理，筆者設(shè)計了以下實驗，從另一角度引導(dǎo)學(xué)生對鋼鐵等金屬的吸氧腐蝕進行探究。[實驗設(shè)計]在一塊光潔的鋼板上滴1滴含酚酞和K3〔Fe(CN)6〕的NaCl溶液，在空氣中放置幾分鐘，仔細(xì)觀察現(xiàn)象并解釋原因。[學(xué)生實驗]學(xué)生按上述方法滴加試劑，經(jīng)過5min左右，發(fā)現(xiàn)鹽水滴邊緣溶液顯紅色，鹽水滴中心出現(xiàn)藍(lán)色沉淀，普遍感到疑惑不解。[啟發(fā)](1)鹽水滴邊緣和中心處，氧氣的濃度大小有何區(qū)別?該裝置能否構(gòu)成原電池?(2)該裝置放置一段時間后，被鹽水滴覆蓋的鋼板邊緣和中心分別為原電池的哪一極?各自發(fā)生什么反應(yīng)?[總結(jié)]經(jīng)教師啟發(fā)，學(xué)生思路豁然開朗，進而形成以下共識：鋼板表面附有水滴時，在水滴邊緣的鐵所接觸的水中氧氣的溶解濃度較大，主要發(fā)生吸收氧氣的還原反應(yīng)，該處的鐵(或氧氣)是原電池的正極。在水滴中心的鐵所接觸的水中氧氣的溶解濃度較小，主要發(fā)生氧化反應(yīng)，該處的鐵作為原電池的負(fù)極而被腐蝕。[點評]金屬表面常因氧氣分布不均勻而引起腐蝕。在上述實驗中，由于鹽水滴中氧氣的溶解濃度不同，使得鹽水滴邊緣的鐵逐漸形成一個大的正極，氧氣在此發(fā)生還原反應(yīng)生成OH-離子；鹽水滴中心的鐵則逐漸形成一個大的負(fù)極，鐵發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe2+離子。鋼鐵等金屬的合金所發(fā)生的吸氧腐蝕，又稱為差異充氣腐蝕。3純金屬的電化學(xué)腐蝕學(xué)生通過實驗探究認(rèn)識到鋼鐵等金屬的合金在大氣中的腐蝕是因為金屬表面的水膜中氧氣分布不均勻而引起，金屬中較不活潑的能導(dǎo)電的雜質(zhì)并不參加電極反應(yīng)，于是很自然地聯(lián)想到純金屬能否發(fā)生電化學(xué)腐蝕的問題。[探究延伸]請思考純金屬能否發(fā)生吸氧腐蝕?怎樣通過實驗證實?經(jīng)教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生仍采用鹽水滴實驗進行探究。[學(xué)生實驗]在擦去氧化膜的Al、Zn、Fe、Cu4種金屬片上各滴1滴含酚酞的NaCl溶液，在空氣中放置。觀察到的現(xiàn)象如下：(1)放置數(shù)分鐘后，Al、Zn、Fe片上鹽水滴邊緣的溶液顯紅色，呈現(xiàn)紅色的速率是Zn>Fe>Al，Cu片上鹽水滴邊緣的溶液沒有明顯現(xiàn)象；而各金屬片上鹽水滴中心逐漸出現(xiàn)不溶物。(2)繼續(xù)放置至鹽水滴蒸發(fā)干，各金屬片上鹽水滴中心處均出現(xiàn)圓形銹斑(或銹環(huán))：Al、Zn片上為白色粉末，F(xiàn)e片上為紅褐色粉末，Cu片上為藍(lán)綠色粉末。[總結(jié)]純金屬也能發(fā)生吸氧腐蝕，其腐蝕速率的大小與金屬活動性有關(guān)。實驗中Al的腐蝕速率比Zn、Fe都小，應(yīng)是其表面形成較穩(wěn)定的氧化膜延緩了腐蝕的進程。Al、Zn、Fe片上的銹斑主要成分為金屬的氫氧化物或其脫水產(chǎn)物；Cu片上的銹斑即銅綠，其成分為Cu2(OH)2CO3，溶液中的總反應(yīng)為：2Cu+O2+H2O+CO2=Cu2(OH)2CO3。4金屬腐蝕電池的電流強度金屬電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象十分普遍，腐蝕電池是一種特殊的原電池，然而一些學(xué)生因缺乏感性認(rèn)識不善于應(yīng)用原電池的工作原理來分析腐蝕電池的問題。他們常有疑問：微電池的電流強度有多大?電子流向如何?氧氣的濃度有多大的影響?對于學(xué)生提出的這些問題，與其由教師講解，不如指導(dǎo)學(xué)生親手實踐。[學(xué)生實驗一]用導(dǎo)線將鐵電極、碳電極與靈敏電流計連接，再將2個電極插入NaCl溶液中，觀察到電流計指針略微偏轉(zhuǎn)，顯示電流強度僅為3μA左右；從電流計指針偏轉(zhuǎn)方向可判定電子流動方向是從鐵電極經(jīng)外電路流向碳電極。[引導(dǎo)思考]既然金屬腐蝕電池的電流強度很小，為什么電化腐蝕對金屬的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重?[學(xué)生實驗二](1)將實驗一中的電極換成完全相同的2個鐵電極，其余操作不變，觀察到電流計指針不偏轉(zhuǎn)。然后向其中一個電極通入氧氣，電流計指針明顯偏轉(zhuǎn)，顯示電流強度約為10μA。(2)把連接2個鐵電極的導(dǎo)線交換，電流計指針偏轉(zhuǎn)方向相反。從電流計指針偏轉(zhuǎn)方向可確定通入氧氣的鐵電極為正極，另一鐵電極為負(fù)極。(3)增大通入氧氣的速率，電流計指針偏轉(zhuǎn)程度迅速增大，顯示電流強度在20μA以上。[總結(jié)]這個實驗用另一種方式揭示了差異充氣腐蝕的作用機理，證明氧氣的濃度對金屬的電化腐蝕有舉足輕重的影響，鹽水滴實驗中的現(xiàn)象并非偶然。5浸在水中的鐵棒的腐蝕狀況浸在水中的鐵棒，什么部位較易發(fā)生腐蝕?學(xué)生對這個問題的回答多半是：“與水面接觸的部位，由于發(fā)生吸氧腐蝕，所以比在水下的部位容易腐蝕?！边@種看法是否正確?教師不必急于作出評判，可以引導(dǎo)學(xué)生進行以下的實驗探究，讓事實說話。[實驗設(shè)計]在試管中注入5mLNaCl溶液，再滴入酚酞溶液和〔Fe(CN)6〕溶液，將一根長約15cm、表面光亮的鐵絲插入試管中，再將試管傾斜(約45°角)放置。[實驗現(xiàn)象]將該裝置在空氣中放置5min～10min后，觀察到的現(xiàn)象為：(1)靠近液面處鐵絲周圍溶液顯紅色，證明有OH-離子生成。(2)液面下約2cm處，鐵絲周圍生成藍(lán)色不溶物，證明該處鐵絲被腐蝕生成Fe2+離子。(3)繼續(xù)放置24h，在以上2部位之間生成許多紅褐色沉淀。鐵絲在液面以上的部位出現(xiàn)零星銹斑，而在試管外的鐵絲仍然保持光亮。[總結(jié)]實驗事實使上述問題迎刃而解，學(xué)生能夠運用差異充氣腐蝕的原理得出結(jié)論。浸在水中的鐵棒，靠近液面的部位，溶液中氧氣的溶解濃度較大，作為原電池的正極，氧氣發(fā)生還原反應(yīng)生成OH-離子；浸入水下較深的部位，溶液中氧氣的溶解濃度較小，作為原電池的負(fù)極，鐵發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe2+離子，此處應(yīng)是鐵棒較易腐蝕的部位；而在上述2部位之間，生成的鐵銹最多。新一輪課程改革和高考理綜測試對學(xué)生的能力培