金屬的電化學腐蝕實驗創(chuàng)新

武 漢 大 學 附 屬 中 學(430072) 李 鼎

湖北省武漢市洪山高級中學(430074) 江 薇

關于金屬的電化學腐蝕,課程標準的相關要求為：了解金屬發(fā)生電化學腐蝕的本質(zhì);知道金屬腐蝕的危害;了解防止金屬腐蝕的措施;同時建議教師開展鐵的吸氧腐蝕以及暖貼的設計等實驗探究活動。在實際教學中,人教版高中化學選修4第4章“金屬的電化學腐蝕與防護”設計的實驗是直接將浸過飽和食鹽水的鐵釘置于具支試管中觀察現(xiàn)象,該實驗只能讓學生定性的了解金屬發(fā)生吸氧腐蝕的過程,難以將課標要求落到實處。筆者在結(jié)合已有研究成果的基礎上,利用數(shù)字化實驗儀器將該實驗進行改進,并有效地應用于化學教學中。

1 實驗目的

(1)通過析氫腐蝕、吸氧腐蝕的實驗,增強對金屬發(fā)生電化學腐蝕的微觀本質(zhì)的認識,完善電化學的知識體系。

(2)利用數(shù)字化實驗儀器探究吸氧腐蝕,將微觀發(fā)生的反應可視化,引導學生宏觀辨識現(xiàn)象,微觀探究分析本質(zhì),發(fā)展宏觀辨識與微觀探析、科學探究與創(chuàng)新意識等。

(3)通過對暖寶寶發(fā)熱原理的探究,學會運用化學知識解決生活中簡單的化學問題,提升學生化學學科核心素養(yǎng)。

2 實驗用品

實驗儀器：朗威數(shù)字化實驗儀器(氧氣傳感器、空氣濕度傳感器、壓強傳感器、溫度傳感器)、多功能反應容器(自制)、U 型管、T 型連接管、橡皮管、培養(yǎng)皿。

實驗藥品：鐵粉、碳粉、鹽酸(pH＝2)、酚酞、暖寶寶。

3 實驗原理

3.1 實驗探究：析氫腐蝕和吸氧腐蝕一體化實驗

鋼鐵在pH 為2～3左右的環(huán)境中,先以析氫腐蝕為主,一段時間后以吸氧腐蝕為主。在密閉容器內(nèi)(見圖1),裝入一定量的自制鋼鐵樣品(鐵粉和碳粉混合物),連接裝置,檢查裝置氣密性后,將塑料膠頭滴管中的鹽酸滴入容器內(nèi),先發(fā)生析氫腐蝕,一段時間后發(fā)生吸氧腐蝕。

圖1 金屬的電化學腐蝕實驗裝置圖

3.2 拓展實驗：暖寶寶發(fā)熱原理的探究

暖寶寶的主要成分為：碳粉、活性炭、鹽、水、吸水樹脂、蛭石等。暖寶寶工作發(fā)熱是由于鐵碳在電解質(zhì)溶液中形成原電池,發(fā)生吸氧腐蝕,放出熱量。

圖2 暖寶寶發(fā)熱原理的探究裝置圖

在密閉容器中放入暖寶寶(見圖2),容器內(nèi)由于鐵發(fā)生吸氧腐蝕,容器內(nèi)氧氣濃度下降。吸收樹脂本身吸收的水在工作過程中釋放,雖然鐵發(fā)生吸氧腐蝕消耗水,但不足以抵消,容器內(nèi)空氣濕度上升。鐵發(fā)生吸氧腐蝕放出熱量,容器內(nèi)溫度升高。

4 實驗操作

4.1 析氫腐蝕和吸氧腐蝕一體化實驗

實驗裝置如圖1所示。將7g鐵粉和0.7g碳粉混合均勻,裝入反應容器中,連接好實驗儀器,檢查裝置氣密性。將塑料膠頭滴管中的鹽酸擠入反應容器中,打開止水夾平衡內(nèi)外氣壓,使U 型管左右液面保持相平,關閉止水夾,觀察并記錄實驗現(xiàn)象。

4.2 暖貼發(fā)熱實驗

按圖2連接好實驗裝置,將暖貼打開并裝入反應容器中,打開數(shù)字化實驗系統(tǒng),觀察并記錄數(shù)據(jù),實驗結(jié)束,繪制圖像。

5 實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

5.1 實驗探究：析氫腐蝕和吸氧腐蝕一體化實驗

析氫腐蝕和吸氧腐蝕一體化實驗現(xiàn)象及相關實驗數(shù)據(jù)記錄見表2。實驗中,壓強計顯示的容器內(nèi)壓強變化及氧氣的百分含量變化如圖3所示。

表2 實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

圖3 實驗中容器內(nèi)壓強及氧氣百分含量的變化

5.2 拓展實驗：暖寶寶發(fā)熱原理的探究

如圖4所示,容器內(nèi)由于鐵發(fā)生吸氧腐蝕,容器內(nèi)氧氣濃度下降。鐵發(fā)生吸氧腐蝕放出熱量,容器內(nèi)溫度升高。暖寶寶中含有吸水樹脂,吸水樹脂本身吸收的水在工作過程中釋放,雖然鐵發(fā)生吸氧腐蝕消耗水,但不足以抵消,容器內(nèi)空氣濕度上升。該實驗展示了化學在生活中的應用,學生可以感受到化學給我們的生活帶來了很大的便利。

圖4 暖寶寶發(fā)熱原理實驗數(shù)據(jù)

6 改進的意義

(1)金屬的電化學腐蝕實驗裝置(見圖1),鹽酸選取合適的濃度,利用壓強傳感器和氧氣傳感器,一次實驗中既可以看到析氫腐蝕的現(xiàn)象又可以看到吸氧腐蝕的現(xiàn)象,方便快捷且將微觀變化可視化,也能更加清晰的讓學生理解弱酸性條件下也可以發(fā)生吸氧腐蝕這一知識。同時利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù),將實驗的分析由定性的角度到定量的角度,多角度認識金屬的電化學腐蝕過程中的物質(zhì)變化。

(2)在暖寶寶發(fā)熱原理探究實驗中(見圖2),引入氧氣傳感器、空氣濕度傳感器、溫度傳感器等數(shù)字化實驗儀器,注重定量研究,培養(yǎng)學生“實驗—現(xiàn)象—數(shù)據(jù)—結(jié)論”的科學素養(yǎng),打好實驗基礎。從宏觀辨識實驗現(xiàn)象,結(jié)合數(shù)字化實驗對微觀粒子的變化進行圖像表征,進行微觀探析,最后用符號進行表征。在三重表征的基礎上增加圖像表征,實現(xiàn)四重表征。

(3)利用家用塑料密封罐自制多功能反應容器,實驗材料易獲取,體現(xiàn)了變廢為寶的綠色化學理念,具有儀器組裝方便快捷、裝置氣密性良好、反應之后易清洗等特點。