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視頻標簽：金屬電化學腐蝕

所屬欄目：高中化學說課視頻

視頻課題：高中化學說課視頻_基于數字化實驗對金屬電化學腐蝕的研究

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高中化學說課視頻_基于數字化實驗對金屬電化學腐蝕的研究

基于數字化實驗對金屬的電化學腐蝕的研究
一、使用教材
（一）教材分析
本節課選自人教版選修4第四章第四節《金屬的電化學腐蝕與防護》，教材內容主要以鋼鐵在不同條件下的腐蝕為例，講解了金屬的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理，以及金屬電化學腐蝕的防護原理與方法。學生在此之前已經學習了原電池和電解池等知識，這為本節課的學習奠定了知識基礎。
（二）課標分析
普通高中化學課程標準（2017年版）對本節課的要求是：了解金屬發生電化學腐蝕的本質，知道金屬腐蝕的危害，了解防止金屬腐蝕的措施。同時課程標準中也給出了實驗探究的活動建議：吸氧腐蝕；暖貼的設計。
二、實驗器材
表1 實驗儀器及藥品

實驗儀器	朗威數字化實驗儀器：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  培養皿  塑料膠頭滴管
實驗藥品	鐵粉 碳粉 pH=2鹽酸 酚酞 暖寶寶

三、實驗創新要點
1.選取合適的鹽酸濃度進行實驗，將析氫腐蝕和吸氧腐蝕實驗探究裝置一體化；利用壓強傳感器和氧氣傳感器，將微觀變化可視化；與此同時，學生更加清晰的理解弱酸性條件下也可以發生吸氧腐蝕這一知識。
2.在暖寶寶發熱原理探究實驗中（見圖2），引入氧氣傳感器、空氣濕度傳感器、溫度傳感器等數字化實驗儀器，注重定量研究，學生能夠養成從“實驗—現象—數據—結論”的科學素養，對今后認知科學實驗的思維產生深刻影響，打好實驗基礎。從宏觀辨識實驗現象，結合數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。
3.利用家用塑料密封罐自制多功能反應容器，材料易獲取，儀器組裝方便快捷，氣密性好，反應之后易清洗。
四、實驗原理
（一）實驗探究：析氫腐蝕和吸氧腐蝕
鋼鐵在pH 2~3左右的環境^[[1]]，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（裝置見圖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，先發生析氫腐蝕，一段時間后發生吸氧腐蝕。

圖1 金屬的電化學腐蝕實驗裝置圖
（二）拓展實驗：暖貼發熱的原理
暖寶寶的主要成分為：碳粉、活性炭、鹽、水、吸水樹脂、蛭石等。暖寶寶工作發熱是由于鐵粉和碳粉在電解質溶液中形成原電池，發生吸氧腐蝕，放出熱量。
密閉容器中放入暖寶寶（裝置見圖2），容器內由于鐵發生吸氧腐蝕，容器內氧氣濃度下降；吸水樹脂本身吸收的水在工作過程中釋放，雖然鐵發生吸氧腐蝕消耗水，但不足以抵消吸水樹脂釋放的水，容器內空氣濕度上升；鐵發生吸氧腐蝕放出熱量，容器內溫度升高。

圖2 暖寶寶發熱原理的探究裝置圖
五、實驗教學目標
教學目標
（1）通過析氫腐蝕、吸氧腐蝕的實驗，增強對金屬發生電化學腐蝕的微觀本質的認識，完善電化學的知識體系。
（2）利用數字化實驗儀器，創新教材實驗來探究吸氧腐蝕，將微觀發生的反應可視化，引導學生從宏觀辨識現象，微觀探析本質，發展宏觀辨識與微觀探析、科學探究與創新意識等化學學科素養。
（3）通過對暖寶寶發熱原理的探究，學會運用所學化學知識解決生活中簡單的化學問題，提升學生科學態度與社會責任的化學學科核心素養。
評價目標
（1）通過對析氫和吸氧腐蝕的微觀本質的討論和點評，診斷并發展學生金屬電化學腐蝕原理本質的認識（物質水平、微粒水平）。
（2）通過利用數字化實驗儀器對吸氧腐蝕的探究的討論與交流，發展學生實驗探究設計水平（孤立水平、系統水平）。
（3）通過對暖寶寶發熱原理的探究及暖貼的設計，診斷并發展學生對化學價值的認識水平（學科價值視角、社會價值視角、學科和社會價值視角）。
六、實驗教學內容
實驗一：析氫腐蝕和吸氧腐蝕一體化實驗
將鐵粉和碳粉混合裝入反應容器中，連接好實驗儀器（如圖1），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；觀察并記錄現象。（實驗過程先觀察到U型管液面左邊下降，右邊上升，呈左低右高；一會兒，U型管右邊液面開始下降，左邊液面開始上升，呈左高右低。說明了在酸性條件下主要發生析氫腐蝕，在弱酸性或中性條件下發生吸氧腐蝕。）
表2 析氫腐蝕和吸氧腐蝕一體化實驗分析

電化學腐蝕	析氫腐蝕	吸氧腐蝕
實驗現象	U型管液面左低右高 壓強傳感器示數上升	U型管液面左高右低 壓強傳感器示數下降 氧氣傳感器示數下降
解釋	在酸性條件下，實驗過程中產生H2，容器內壓強增大	在弱酸性條件下，實驗過程中消耗O2，容器內壓強減小
負極	Fe – 2e- ==== Fe2+	2Fe – 4e- ==== 2Fe2+
正極	2H+ + 2e- ==== H2 ↑	O2 + 4e- + 2H2O ==== 4OH-

實驗二：暖寶寶發熱原理的探究
連接好裝置（如圖2），將暖貼打開并裝入反應容器中，打開數字化實驗系統，觀察并記錄數據，實驗結束，繪制圖像。

圖3 暖寶寶發熱原理實驗數據
容器內由于鐵發生吸氧腐蝕，容器內氧氣濃度下降；鐵發生吸氧腐蝕放出熱量，容器內溫度升高。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^[[2]]，雖然鐵發生吸氧腐蝕消耗水，但不足以抵消吸水樹脂釋放的水，容器內空氣濕度上升； 該實驗展示了化學知識在生活中的應用，學生可以感受到化學給我們生活帶來了巨大的便利。
七、實驗教學過程

教學環節	教師活動	學生活動	教學評一體化
探索新知    析氫腐蝕	實驗室模擬鋼鐵的腐蝕                               【演示實驗】接通實驗1的裝置中氧氣濃度傳感器數據線，觀察容器總氧氣含量的變化。   【追問】容器內氧氣為什么會減少   【引導】 4H2 ~ 4Fe2+ ~ O2	1.預測實驗現象 U型管液面左低右高， 2觀察實驗現象 開始U型管液面左低右高，一段時間后U型管液面左高右低 3匹配相應模型 原電池模型 4.微觀解釋實驗現象 U型管液面下降，說明容器中壓強增大，產生了H2使容器內壓強增大。 5符號表征 負極：Fe – 2e- ==== Fe2+ 正極：2H+ + 2e- ==== H2 ↑ 6“異�，F象分析” 一段時間后右邊液面上升說明容器內壓強減小，容器內氣體減少，可能是氧氣減少。   【現象】容器內氧氣的濃度下降，壓強減小 【回答】可能是生成的Fe2+消耗了氧氣     【回答】從關系式中可以看出，只是Fe2+消耗O2，容器內氣體的減少量不足以使U型管液面左高右低，可能是鐵與氧氣反應了。	采用“POE”（預測、觀察、解釋）教學策略，發展學生證據推理與模型認知學科核心素養。       通過對析氫腐蝕的微觀本質的討論和點評，診斷并發展學生金屬電化學腐蝕原理本質的認識（物質水平、微粒水平）     通過利用數字化實驗儀器對吸氧腐蝕的探究的討論與交流，發展學生實驗探究設計水平
吸氧腐蝕	【追問】氧氣參加反應生成了什么？	1.預測產物 預測1 O2 + 4e- + 2H2O ==== 4OH- 預測2 O2 + 4e- + 4H+ ==== 2H2O 2.設計實驗驗證 取反應后的樣品，加入少量蒸餾水，滴入酚酞試劑，發現液體變紅 3.結論 預測1正確
拓展應用   暖貼發熱原理探究	【情境】暖貼的主要成分是鐵粉、活性炭、鹽等。它的發熱原理是什么呢？         【推送資料】吸水樹脂的功能作用。	1.預測原理 暖貼主要成分中沒有酸性物質，可能是鐵發生了吸氧腐蝕。 2.實驗設計并預測實驗現象 設計：運用氧氣傳感器、空氣濕度傳感器、溫度傳感器測試該過程中氧氣含量、水蒸氣含量以及溫度的變化。 預測：氧氣含量減小、水蒸氣含量減小、溫度升高 3.觀察實驗現象 氧氣含量減小、水蒸氣含量增大、溫度升高 4. “異�，F象分析” 吸水樹脂能夠吸收自身重量幾百倍至千倍的水分，該過程中反復釋水。 5.匹配相應模型 原電池中吸氧腐蝕模型 6.微觀解釋實驗現象 暖貼工作時，發生吸氧腐蝕，吸收空氣中的氧氣，氧氣濃度下降；該過程是放熱過程，溫度升高。 7.符號表征 負極：2Fe – 4e- ==== 2Fe2+ 正極：O2 + 4e- + 2H2O ==== 4OH-	通過對暖寶寶發熱原理的探究及暖貼的設計，診斷并發展學生對化學價值的認識水平（學科價值視角、社會價值視角、學科和社會價值視角）。

八、實驗效果評價
1.在研究電化學腐蝕的實驗中，利用壓強傳感器和氧氣傳感器，將微觀變化可視化，學生感受到了信息技術帶來的便利；與此同時，學生更加清晰的理解弱酸性條件下也可以發生吸氧腐蝕這一知識。
2.在暖寶寶發熱原理探究實驗中，引入氧氣傳感器、空氣濕度傳感器、溫度傳感器等數字化實驗儀器，注重定量研究，學生初步養成從“實驗—現象—數據—結論”的科學素養，培養了學生科學探究與創新意識及科學態度與社會責任等化學學科核心素養。
通過分析教材及課標，我們提出了發展“證據推理與模型認知”的教學模式（見圖4）。教師通過問題情境的創設，引導學生根據已有的知識或證據提出自己的假設，通過設計并實施實驗方案證實或證偽自己的假設，建立觀點、證據及結論等要素之間的邏輯關系，然后建構或匹配相應的認知模型，最終應用模型解決實際問題。

圖4 “證據推理與模型認知”實驗教學模式

附錄1  實驗教學課前自學學案
基于數字化實驗對金屬的電化學腐蝕的研究

自 學 質 疑 學 案

學習目標： （1）了解金屬發生電化學腐蝕的危害。 （2）認識金屬發生電化學腐蝕的本質。

學習重點：認識金屬發生電化學腐蝕的本質。 學習難點：探究吸氧腐蝕的本質。

模塊一  知識梳理

1.什么是化學腐蝕？是什么是電化學腐蝕？       2.析氫腐蝕發生的原理？         3吸氧腐蝕發生的原理？         品    名：暖陽陽暖身貼 產品結構：本品由原料層、背膠層、透氣膜三部分組成           原料層由鐵粉、蛭石、碳粉、鹽類、水、高吸水性樹脂等組成 保存方法：避開陽光直射，請置于常溫及干燥處保存   4“暖寶寶”的主要原料如右圖所示，請你根據已有的知識猜測暖寶寶發熱的原理。并設計實驗方案驗證自己的猜想？   發熱的原理：     實驗方案：

學習困惑：

附錄2  實驗教學課堂學習學案
基于數字化實驗對金屬的電化學腐蝕的研究

課 堂 學 習 學 案

學習目標： （3）通過析氫腐蝕、吸氧腐蝕的實驗，增強對金屬發生電化學腐蝕的微觀本質的認識，完善電化學的知識體系。 （4）通過對暖寶寶發熱原理的探究，學會運用所學化學知識解決生活中簡單的化學問題。

學習重點：認識金屬發生電化學腐蝕的本質。 學習難點：利用數字化實驗儀器，探究暖寶寶發熱原理。

模塊二  實 驗 探 究

實驗探究一：實驗室模擬鋼鐵與酸反應   【基于證據，提出假設】   ________________________________________________；   【證實證偽，實驗現象】   __________________________________________________；   【分析推理，匹配模型】           【解釋現象，揭示本質】           【對“異常”現象解釋】

模塊三  拓 展 應 用

實驗探究二：暖寶寶發熱的原理的探究   【基于證據，提出假設】   ___________________________________________________；   【證實證偽，實驗現象】   ___________________________________________________；   【分析推理，匹配模型】           【解釋現象，揭示本質】           【對“異常”現象解釋】

學 習 評 價

學習評價表 評價項目 分值 自評 （50%） 組內 互評（30%） 教師 價評（20%） 合計 我認識了金屬發生電化學腐蝕的本質 20         我在實驗過程中準確觀察、記錄實驗現象 20       我對實驗現象進行了合理分析 20       我掌握了實驗探究的一般方法和步驟 20       我學會了用化學知識解決生活中的實際問題 20

課 堂 練 習

下列有關金屬腐蝕與防護的說法正確的是（   ） A. 銅鐵接觸處，在潮濕的空氣中直接發生反應：Fe – 3e- ==== Fe3+，繼而形成鐵銹 B. 輪船的船殼水線以下常裝有一些鋅塊，這是利用了犧牲陽極的陰極保護法 C. 金屬腐蝕的實質是金屬失去電子被還原的過程 D. 在酸性環境下，鋼鐵只能發生析氫腐蝕 如圖裝置中，U形管內為紅墨水，a、b試管內分別盛有食鹽水和稀醋酸，各加入生鐵塊，放置一段時間.下列有關描述錯誤的是（   ） A. 生鐵塊中的碳是原電池的正極 B. 兩試管中相同的電極反應式是：Fe – 2e- ==== Fe2+ C. a試管中發生了吸氧腐蝕，b試管中發生了析氫腐蝕 D. 紅墨水柱兩邊的液面變為左低右高 鋼鐵的生產和使用是人類文明和生活進步的一個重要標志。 （1）金屬制品中的鍍錫鐵皮（馬口鐵）和鍍鋅鐵皮（白鐵皮）鍍層部分破壞后，在潮濕的環境中，_______________（填“馬口鐵”或“白鐵皮”）更易銹蝕。 （2）炒過菜的鐵鍋未及時洗凈（殘液中含NaCl），第二天便會因腐蝕出現紅褐色銹斑。 鐵鍋所發生的腐蝕主要是___________腐蝕，鐵鍋銹蝕的負極反應式為__________________________。 （3）為防止輪船的船體在海水中腐蝕，一般在輪船身上裝有一定數量的________(填“鋅”或“銅”)塊。

課 后 作 業

【課后作業】 1.小結性作業：（1）導學案填寫完整并上交。 （2）總結鋼鐵發生電化學腐蝕的知識網絡圖。           2.探究性作業（選做）：小組實驗探究：析氫腐蝕和吸氧腐蝕發生的pH臨界條件。 3.拓展性作業（選做）：查閱資料，收集工業上金屬腐蝕防護的各種措施。

 

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