電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕速率對比實驗研究

方云

摘要：金屬的腐蝕是日常生活中最常見的問題，然而高中生對金屬腐蝕的現(xiàn)象并沒有過程性的體驗，也缺乏直觀的認(rèn)識。本研究旨在運用數(shù)字化實驗來顯示各種情況下金屬腐蝕（以鐵為例）速率，讓學(xué)生體驗金屬腐蝕的過程，更好地幫助學(xué)生解決金屬腐蝕中的認(rèn)知難點。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)腐蝕；化學(xué)腐蝕；氧氣傳感器

文章編號：1008-0546（2017）12-0090-02 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.12.032

一、問題的提出

在高中化學(xué)必修2“化學(xué)能與電能”中對原電池原理的研究建立了金屬電化學(xué)腐蝕學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。在選修1化學(xué)與生活“金屬的腐蝕和防護”中又重點研究了以鐵為例的電化學(xué)腐蝕。但是無論是必修2還是選修1都沒有對金屬腐蝕問題的實驗演示，所以學(xué)生對日常生活中最常見的金屬腐蝕原理卻沒有深刻的感受和體驗。大多數(shù)情況下，在教學(xué)中教師都會采取如下實驗進行教學(xué)。

該實驗通過試管內(nèi)氧氣的消耗引起的倒吸現(xiàn)象，來間接體現(xiàn)鐵的電化學(xué)腐蝕。也可在試管中只裝鐵粉進行化學(xué)腐蝕進行對比。但是該實驗卻有諸多不理想的情況：

（1）該實驗的現(xiàn)象受到了導(dǎo)管粗細(xì)的影響，教室后排的同學(xué)并不能很好的觀察；

（2）若要進行更多的對比實驗，操作就會復(fù)雜嚴(yán)重影響課堂教學(xué)時間控制；

（3）學(xué)生只能關(guān)注到實驗結(jié)果沒有形成過程體驗；

（4）該實驗不利于學(xué)生的進一步探究，不能更好地解決課堂中即時生成的問題和學(xué)生質(zhì)疑。

所以基于以上的諸多問題，筆者嘗試?yán)脭?shù)字化實驗中傳感器技術(shù)（氧氣）對該實驗加以改進。

二、實驗過程

1.試劑與儀器

鐵粉、碳粉、飽和食鹽水、蒸餾水、試管、鐵架臺、氧氣傳感器、電腦（帶數(shù)字化實驗軟件）等。

2.實驗步驟

（1）準(zhǔn)備好電腦及軟件，校準(zhǔn)兩只氧氣傳感器（分別標(biāo)注1、2）至21%作為起點；

（2）建立好坐標(biāo)系，縱坐標(biāo)：氧氣含量最大值設(shè)為25%，橫坐標(biāo)：時間最大值設(shè)為200秒；

（3）如圖，同時進行兩組實驗進行對比；

①第一組裝置中裝上鐵粉即可；

②第二組裝置中模擬電化學(xué)腐蝕的環(huán)境：用飽和食鹽水潤洗試管，裝上等質(zhì)量鐵粉和少量碳粉混合固體；

③分別在兩只鐵架臺上固定好試管；

（4）接好氧氣傳感器，開始實驗；

（5）觀察投影上數(shù)據(jù)的變化，進行對比，得出結(jié)論。

三、實驗結(jié)論及分析

1.實驗結(jié)果分析

從圖3可見，曲線變化的趨勢非常明顯的看出：曲線0（藍色線）下降的變化非常明顯表示該試管中氧氣的消耗是非?？斓?，從而說明了模擬電化學(xué)腐蝕環(huán)境中鐵的腐蝕速度明顯快于另外一只試管中的化學(xué)腐蝕。

2.實驗注意事項

從圖4我們可以發(fā)現(xiàn)，兩曲線的起點不一致，是因為吸氧腐蝕消耗氧氣速度太快了。我們在實驗中一定要先連接好純鐵粉試管，再連接模擬電化學(xué)腐蝕的試管后立即啟動電腦進行測試。這樣操作可以保持起點一致。

四、實驗拓展

1.通過以上方式，我們可以進行各種環(huán)境下鐵粉腐蝕快慢的對比。例如：純鐵和鐵碳混合物在有水或無水環(huán)境下腐蝕的對比；又如鐵粉和碳粉混合物在水和較低濃度食鹽水環(huán)境下腐蝕快慢的對比（實驗結(jié)果如圖5）。

2.該實驗可以解決日常生活的一些常見問題：如暖寶寶工作的原理。教師可以利用該裝置安排課后探究實驗讓學(xué)生體驗“暖寶寶”工作原理。在實驗中試管有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，用手觸摸就可以明確的感受到。同時教師可以啟發(fā)學(xué)生來探究電化學(xué)腐蝕過程中氧氣含量曲線下降先慢后快的原因：先感受試管發(fā)熱現(xiàn)象，再引導(dǎo)學(xué)生利用“溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”來解決問題。

3.可以通過定量研究來解決以下問題：鐵粉和碳粉在什么質(zhì)量比下，鐵粉的腐蝕速率最快。我們只要控制不同的質(zhì)量比進行實驗就可以通過數(shù)據(jù)采集器中曲線變化的對比得出結(jié)論。

五、實驗反思

1.實驗設(shè)計要簡單，操作性要強。該實驗改進既可以做演示實驗，又適合學(xué)生走進數(shù)字化實驗室進行分組實驗。

2.實驗結(jié)果要直觀。由氧氣的消耗速度到鐵的腐蝕速度轉(zhuǎn)化，符合學(xué)生的認(rèn)知水平，既讓學(xué)生關(guān)注了過程又獲得了科學(xué)研究的方法。和傳統(tǒng)的倒吸實驗比較，該實驗更加有利于學(xué)生的觀察，并將過程和結(jié)果直接通過屏幕展現(xiàn)給所有的同學(xué)。

3.實驗要注重過程的展示。該實驗將每一秒的變化都展示給了學(xué)生，給了學(xué)生強烈的過程性體驗。

4.實驗要有利于學(xué)生的探究。該實驗可以進行不同情況下金屬腐蝕快慢的對比，也可以做定量實驗，同時也能解決引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識進行探究。

5.實驗要為課堂教學(xué)服務(wù)。任何實驗的改進或設(shè)計都要緊緊圍繞化學(xué)課堂，要服務(wù)于教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)。那些脫離了化學(xué)教學(xué)，超越了學(xué)生認(rèn)知水平的實驗設(shè)計，即使實驗手段再先進也是不可取的。endprint