金属的腐蚀与防护系列实验改进.pdf

化学教与学2023年第1 2 期化学教与学实验教学研究金属的腐蚀与防护系列实验改进李梦倩！谢美珊？王怀文3郭炜杰？李林染？（1.顺德第一中学西南学校交广东佛山528000；2.石门高级中学广东佛山528200；3.佛山市教育局教学研究室广东佛山5 2 8 0 0 0)摘要：2 0 1 9 年版人教版选择性必修1“金属的腐蚀与防护”章节新增了牺牲阳极法实验，为提升该实验的教学功能，将其改进为“金属的腐蚀与防护”系列微型实验，探究不同条件下铁的电化学腐蚀速率大小关系。改进后的实验不仅保留了教材实验趣味性强的优点，还补充了外加电流法的实验，操作简单，装置微型化，现象明显，大大缩短了实验所需的时间，便于设计为学生分组实验。关键词：金属的防护与腐蚀；实验改进；牺牲阳极法；外加电流法文章编号：1 0 0 8-0 5 46(2 0 2 3)1 2-0 0 9 1-0 4中图分类号：G632.41文献标识码：Bdoi:10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.0020一、问题的提出普通高中化学课程标准（2 0 1 7 年版2 0 2 0 年修订）明确提出，“能利用电化学原理解释金属腐蚀现象，选择并设计防腐措施”的学业要求，因此在2 0 1 9年版人教版选择性必修1 的教材中，在“金属的腐蚀与防护”章节中新增了一个牺牲阳极法的趣味实验，使得金属的腐蚀过程更加可视化，即在培养皿中倒入食盐琼脂溶液，滴人5 6 滴酚酞溶液和K，Fe（CN)。溶液，将裹有锌皮和缠有铜丝的铁钉分别放人培养血中，如图1 所示，一段时间后，（a)中的铁钉附近琼脂出现红色，锌皮附近无明显现象，（b)中的铁钉附近琼脂出现蓝色，铜丝附近琼脂出现红色。铁钉锌皮铜丝铁钉(a)(b)含有NaCl、酚酞、K,Fe(CN)。的琼脂图1牺牲阳极法实验（教材实验4-4）按照教材指引完成实验后，发现以下两点有待改进：1.产生实验现象较慢教材中未对KFe(CN)的浓度进行说明，若选择饱和的KFe(CN)溶液,按照教材指引完成实验时,发现出现教材实验拍摄图的现象大概需要4h，不适合在课堂上开展学生分组实验，且实验使用的是直径1 0 cm的培养皿，若开展分组学生实验，实验药品消耗量较大。2.Fe2+可能会与KFe(CN)反应若按照教材的指引配制食盐琼脂，即使是使用6滴饱和的K，Fe（CN）。溶液，也需要较长的时间才能明显看到琼脂呈蓝色。但是若选择滴加更多的KFe（CN）。溶液，又会加速K，Fe（CN。与铁的反应，K，Fe（CN）。会将铁氧化成Fe2*，【2 而Fe2+会与K，Fe(CN)。继续反应生成蓝色的沉淀,对负极产物Fe2*的检验造成干扰。二、文献追踪对比新旧教材的实验，可以发现新教材新增的“牺牲阳极法实验”进步之处可概括为以下三点：第一，补充了铁与较不活泼金属构成原电池时，铁充当负极被腐蚀的实验；第二，采用铁钉、锌皮、铜丝，装置*本文系“广东省基础教育教研基地（2 0 2 1-2 0 2 3）”，广东省教育研究院“新时代广东省中学化学深度学习教改实验”基地“中学化学深度学习区域推进的实践研究”（2 0 GDJY-A003），全国教育科学规划教育部重点课题“指向核心素养的中学化学深度学习教学评价研究”（DHA210347）的阶段性研究成果。92化学教与学2 0 2 3 年第1 2 期化学教与学实验教学研究简单,现象美观，有一定的趣味性；第三，将NaCl、酚酞、K，Fe(CN)。与琼脂混合，减小了Fe2的扩散程度，缩短了蓝色沉淀产生的时间。以“金属的防护与腐蚀”“实验改进”“牺牲阳极法”等为关键词，在知网上搜索到相关文献有2 2 篇。由于该实验是新教材新增的实验，而大部分文献研究的是旧教材中已有的吸氧腐蚀（铁与碳粉混合)实验，以及锌片与铁片构成原电池的实验，只有少数文献有一定的参考价值。比如，郑晓红的实验中，3 设置了空白铁钉组作为锌铁原电池组的对照，如图2 所示，在酸化的饱和NaCI溶液中,1 min内铁片腐蚀便会使滴有K,Fe(CN)。溶液的滤纸呈现蓝色，而在锌片的保护下，铁片上的滤纸无蓝色出现。该实验中滤纸的使用能使Fe?*更为集中，现象更明显。由于在溶液中进行实验，Fe2+的扩散会使得蓝色不明显或出现得较慢，于是，也有较多的文献采用了U型管、小套管等措施来减慢Fe*的扩散，但都出现了K，Fe(CN)与铁电极直接接触的问题。清华附中的朱式玉的实验中除了使用铁与锌两种金属作电极，4 还增设了铁与铜两种金属的对比实验组，如图3所示，将铁钉与锌片用铜线相连放入有盐酸、H202、KSCN的混合溶液中，通过铜丝的剪断与否，体现铁钉作阴极被保护，作阳极被腐蚀的效果。但上述文献中的实验都是在酸化的溶液中进行，铁的化学腐蚀不容忽略，而实验的目的是研究不同条件下的铁的电化学腐蚀速率。史文杰为了使现象出现的时间更短，5 在新教材的基础上，将铜丝缠绕铁钉改为铁钉镀铜，然后浸泡在NaCl、酚酞、K，Fe(CN)。的热琼脂溶液，可较快观察到明显现象。相比于缠绕铜丝，电镀法可使得铜覆盖得更为致密，但是“热溶液”的形式不便在课堂开展小组实验。滤纸（滴2 滴铁氰化钾溶液）铁片锌片（甲）（乙）酸化的饱和NaCI溶液图2文献 3 中的实验铁钉锌片铜丝铁钉(a)(b)100mL0.25molL盐酸溶液，5mL3%过氧化氢溶液2mL14molL硫氰化钾溶液图3文献 4 中的实验三、实验设计1.实验用品琼脂粉、饱和NaCl溶液、酚酰、K，Fe(CN)溶液、蒸馏水、6 孔井穴板、6 根铁丝、铜丝、铜片、锡丝、锌皮、9V电池。2.实验装置图（见图4）铁丝与铜丝铁丝（阴极）铁丝与锡丝与铜片，外加电源铁丝铁丝（阳极）铁丝与锌皮与铜片，外加电源图4实验装置图3.实验步骤(1)实验准备称取1 g琼脂粉，与1 5 0 mL蒸馏水和5 0 mL饱和NaCl溶液煮沸，然后加人1 0 滴酚酞溶液（酚酰溶液浓度可适当大一点，便于现象明显），注人6 孔井穴板中，待其凝固。准备1 根铁丝，将一端缠绕在铜丝上，另一端螺旋旋转1 0 圈左右，可增大电极与电解质溶液的接触面积，如图4中组所示。其他5 根铁丝（其中一端也缠绕1 0 圈，保证反应时铁丝与琼脂的接触面积相同）分别做以下处理：缠绕在锡丝上、缠绕在锌皮上、连接电源正极、连接电源负极、不做处理。(2)发生反应，检验电极产物将铁丝与铜丝缠绕组、铁丝与锡丝缠绕组、铁丝（空白组）、铁丝与锌皮缠绕组、铁丝与铜片外加电源93化学教与学2023年第1 2 期化学教与学实验教学研究（铁作阴极）组、铁丝与铜片外加电源（铁作阳极）组依次插人到6 组琼脂中，如图4中组 所示，电池选用9 V电池。1 2 min后，取出金属，在铁附近的琼脂处滴1 滴0.2 5 molL-的KFe（CN)。溶液，观察现象。4.实验结果6组实验的现象及分析如表1 所示。原电池组（、）1 2 mi n 即可观察到现象，外加电源的和组1 0 s即可观察到明显现象。从图5 可以观察到，、组中铁电极附近均出现蓝色，且由深至浅为：，铁电极附近红色由深至浅为 ，可以证明腐蚀速率的大小为：电解池的阳极 原电池的负极 吸氧腐蚀 原电池的正极 电解池的阴极，且构成原电池的正负极活泼性之差越大，负极腐蚀速率越快。表1实验现象及分析实验组别现象(2 min后)分析腐蚀与防护类型Cu-Fe（Fe 作负极）Cu附近变红色，Fe附近变蓝色Fe为原电池负极原电池引起的腐蚀S n-Fe(Fe 作负极)Sn附近变红色，Fe附近变蓝色Fe为原电池负极原电池引起的腐蚀Fe(空白组)Fe附近既有红色也有蓝色Fe为原电池负极化学腐蚀和吸氧腐蚀Z n-Fe(Fe 作正极）Fe附近变红色，Zn片被腐蚀Fe为原电池正极原电池形成的保护Cu-Fe（Fe 接电源负极，作阴极）Cu片被腐蚀，Fe附近变红色Fe为电解池阳极电解池形成的保护Cu-Fe（Fe 接电源正极，作阳极）Cu附近变红色，Fe附近变蓝色Fe为电解池阴极电解池引起的腐蚀Cu-Fe Fe 作负极）Sn-Fe（Fe 作负极）Fe（空白组）Z n-Fe(Fe 作正极）?Cu-Fe(Fe接电源OCu-Fe(Fe接电源负极，作阴极）正极，作阳极）图5实验结果5.其他现象说明学生发现，空白铁丝组（组）会同时出现红色和蓝色，若将铁丝插人较深，还可观察到红色主要集中于琼脂表面处，蓝色集中于琼脂深处。此现象可解释为铁在该情况中发生了吸氧腐蚀，在琼脂表面处氧气浓度大，发生反应：0 2+4e*+2H,0=40H-，琼脂深处氧气含量相对较少，铁丝发生反应：Fe=Fe2+2e，因此蓝色沉淀主要在琼脂深处，而这其实也就是金属构件在海水中会发生的氧浓差腐蚀。海水表面氧浓度高于深处，所以金属上部的腐蚀电位要高于下部，产生了电位差，从而引起电子的传输，导致金属产生腐蚀。6 1 四、改进后实验的创新1.实验更微型使用孔径为2 cm或3 cm的井穴板代替1 0 cm直径的生物培养皿，大大减少了琼脂的用量和实验准备的工作量，也可同时进行多组对比实验，也便于学生开展小组实验。2.实验现象明显且快速改进后的实验可以在2 min内就看到较为明显的现象，借助特征试剂的显色深浅及范围，学生可以亲眼见证金属的腐蚀过程并比较速率快慢3.Fe2+的检验方式更科学由于铁钉可能与KFe（CN)。溶液发生反应，因此在配制琼脂溶液时，不加人KFe(CN)。溶液，当铁钉放入琼脂反应一段时间后，取出铁钉再局部滴加K，Fe(C N)溶液，这样可以避免了铁与KFe(CN)直接接触，使得Fe?+的检验方式更严谨。4.开发成系列实验改进后的实验是在教材“牺牲阳极法”实验的基础上，加人了“外加电流法”实验，与牺牲阳极法、化学腐蚀（以及吸氧腐蚀)构成电化学系列实验。另外，在开展课堂教学时，教师也可以根据课堂的需要，利用改进后的装置继续探究外加电流时电压的大小、阴阳极材料的选择等因素对金属腐蚀速率的影响，实验的可开发空间大。五、结语在课堂的最后，通过电化学腐蚀速率比较的典型94化学教与学2 0 2 3 年第1 2 期上接第9 7 页）+化学教与学实验教学研究例题(如图6)进行即时巩固，学生答题效果非常理想，说明通过实验探究，学生已经成功构建了金属腐蚀与防护的思维模型。在课后的访谈中，学生表示“现象非常好看”“原来外加电源腐蚀速率快这么多”，说明学生们通过亲手实验，体会到了化学之精髓。FeSnFeZnFeFeCuFelCuFe广CuABCDEF图6“Fe的腐蚀速率比较”典型例题本实验在教材的基础上，进一步实现了实验微型化，做到了现象快且对比明显，不仅便于教师的演示，也有助于课堂分组实验的开展，培养学生宏观辨识与微观探析等化学核心素养。参考文献1中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2 0 1 7 年版2 0 2 0 年修订)S.北京：人民教育出版社，2 0 2 0.2房寿高.铁氰化钾溶液与铁反应的实验探究 J.化学教学,2 0 1 4(1 0):5 9-6 1.3郑晓红.金属的腐蚀与防护实验设计 J.化学教育（中英三、实验改进后的优势1.实验装置简单、现象明显，大幅度提高安全性和环保性。改进后实验采用密闭装置，保留了教材实验的原有现象和优点，并能在防止液体飞溅的同时收集生成的气体；实验采用5 0 mL的锥形瓶，使用试剂用量少，且能够保证实验现象明显，同时避免了微型化装置的危险，能够在实验过程中培养学生的安全意识和环保意识。2.实验装置灵活，便于实际教学。实验改进的目的是更好地服务课堂教学，改进后的实验装置可根据教学与实验演示的实际需要，将反应的发生与气体的检验分步进行，留给教师更多的教学空间，更加灵活，实用性强。3.增加课堂的趣味性和开放性。点燃法和爆鸣法文),2 0 1 5,3 6(3):6 9-7 2.4朱式玉.金属防腐蚀的实验一牺牲阳极的阴极保护法J.教学仪器与实验，1 9 8 6(1):2 1-2 4.5史文杰，李冉，郭玉林，田巧云.提升化学学科核心素养的高中化学教学一一以“金属的防护”为例 J.化学教育（中英文）,2 0 2 2,43(5)：3 4-3 9.6刘英伟，张洋.海水管路氧浓差腐蚀数值分析 J.天津大学学报（自然科学与工程技术版），2 0 2 0,5 3（1 0）：1 0 1 9-1027.是常见检验氢气的方法，“氢气密度小于空气密度”这一物理性质，为检验气体提供了新的思路，有利于培养学生的开放性思维。使用泡泡胶存放气体，也增加了实验的趣味性。参考文献1叶永谦，张贤金，吴新建.钠与水反应实验的再设计及多种教学运用 J.化学教育（中英文）,2 0 1 8,3 9(7)：6 0-6 2.2向太平.检验钠与水反应产生的气体演示实验的改进J.化学教育（中英文）,2 0 0 6,2 7(6)：5 6-5 7.3毕晓，张会清.钠与水反应实验装置的改进 J.化学教学,2 0 2 0(6):6 8-7 1.4孟恬静.钠与水反应实验的新设计 J.化学教学，2 0 1 9(3):59-61.5曹广雪.钠与水（或无水乙醇）反应实验的改进 J.化学教育（中英文），2 0 1 1,3 2(2）：6 4.