一道關(guān)于“鐵的吸氧腐蝕”的原創(chuàng)題

摘要：利用人教版新教材（選修4）中的一個實驗為素材，命制了一道涉及鐵的吸氧腐蝕原理、實驗探究與改進(jìn)等知識的原創(chuàng)題，并對試題的命制意圖和解題過程進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：吸氧腐蝕；原創(chuàng)題；命題意圖；解題思路

文章編號： 1005–6629(2012)5–0061–03 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 原創(chuàng)試題

某課外實驗探究小組按照人教版新教材（選修4）中實驗裝置（圖1）探究鋼鐵的吸氧腐蝕：

（1）畫出圖1裝置相應(yīng)的原電池裝置示意圖，并標(biāo)出該原電池的正、負(fù)極以及電子移動的方向。

（2）該實驗小組按照圖1裝置進(jìn)行實驗的過程中，等待了近8分鐘才看到導(dǎo)管中液柱的上升，他們認(rèn)為是反應(yīng)速率太慢的緣故，你認(rèn)為以下哪些措施可以更快更清晰地觀察到實驗現(xiàn)象（ ），其中不合理的措施可以修改為 。

A.用純氧氣代替具支試管內(nèi)的空氣

B.用酒精燈對具支試管進(jìn)行加熱，提高反應(yīng)溫度

C.將鐵釘用膠水潤濕后并蘸取鐵粉和炭粉的混合粉末

D.用毛細(xì)尖嘴管代替玻璃導(dǎo)管，并向試管的水中滴加少量紅墨水

除了以上選項中的原因可能導(dǎo)致反應(yīng)速率較慢之外，該研究小組還認(rèn)為圖1裝置在組裝過程中必定會導(dǎo)致導(dǎo)管內(nèi)液面低于試管中液面，這樣會導(dǎo)致導(dǎo)管中液柱上升需要更多的時間，你認(rèn)為此種說法 （“有”或“沒有”）道理，若沒有道理你的理由是 ，若有道理，你認(rèn)為下列裝置可以消除上述影響的是。

（3）該實驗小組利用（2）中的探究結(jié)果將教材中實驗進(jìn)行了多方面的改進(jìn)（圖2，NaCl溶液50 mL），最終測得了以下數(shù)據(jù)（表1）。用Fe²⁺的濃度隨時間的變化率表示鐵釘在前3分鐘的腐蝕速率（導(dǎo)管直徑為1 cm，忽略導(dǎo)管厚度的影響）為 ，根據(jù)表1數(shù)據(jù)你認(rèn)為影響鋼鐵腐蝕的主要因素為 。

表1 液柱高度隨時間的變化（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）

（4）為了能夠更加直觀地證明鐵釘腐蝕過程中所發(fā)生的反應(yīng)，該實驗小組在裝置改進(jìn)前按照表2進(jìn)行實驗，并且取得了滿意的效果，請完成下表。

表2 研究小組的實驗探究過程

根據(jù)表2中實驗現(xiàn)象你認(rèn)為 （填a或b）點(diǎn)較易腐蝕，理由是 。

（5）該研究小組認(rèn)為純金屬也可能發(fā)生吸氧腐蝕，于是他們做了以下實驗進(jìn)行驗證：在除去氧化膜的Mg、Al、Zn、Fe 4種金屬片上各滴一滴含酚酞的NaCl溶液，數(shù)分鐘后金屬片上按照Mg、Zn、Fe、Al的先后順序均出現(xiàn)了紅色。根據(jù)實驗?zāi)阏J(rèn)為純金屬發(fā)生吸氧腐蝕的快慢與 有關(guān)，鋁片上最后出現(xiàn)紅色的原因在于 。

2 命題意圖

與人教版老教材相比，新教材（選修4）在“金屬的電化學(xué)腐蝕”一節(jié)內(nèi)容中增加了一個演示實驗，即鐵釘?shù)奈醺g，目的在于增強(qiáng)學(xué)生對金屬吸氧腐蝕的感性認(rèn)識。但就筆者的實際教學(xué)經(jīng)驗來看，該實驗在實驗現(xiàn)象以及教學(xué)目標(biāo)上均存在一些不足，為了彌補(bǔ)這些不足，筆者命制了此道試題，具體如下：

（1）通過此題可將金屬吸氧腐蝕的實驗現(xiàn)象及微觀反應(yīng)過程有效地進(jìn)行結(jié)合，比如在第（1）問中教材實驗裝置圖已經(jīng)給出了導(dǎo)管水柱上升這一預(yù)期實驗現(xiàn)象，但產(chǎn)生這一現(xiàn)象的本質(zhì)原因是什么？如何讓學(xué)生更清楚地建立本質(zhì)與現(xiàn)象之間的聯(lián)系呢？該問中巧妙地讓學(xué)生畫出原電池裝置示意圖，通過示意圖中的各種標(biāo)記（正、負(fù)極，電子移動方向等）便可清晰考查學(xué)生對吸氧腐蝕原理的掌握情況。

（2）試題命制過程中自然而然地將新課程對學(xué)生提出的能力要求進(jìn)行了考查。試題第（2）問啟發(fā)學(xué)生對該實驗提出質(zhì)疑，并且利用已有的化學(xué)、物理知識進(jìn)行推理，接著試題（3）、（4）兩問是考查學(xué)生的實驗探究能力，且難度上升了一個高度，這樣的編排，將新課程的思想傳遞給了教師和學(xué)生：不僅要提出問題，更應(yīng)該在實踐中利用已有的知識解決問題。

（3）試題的命制融合了本冊（選修4）教材中的幾大重要知識點(diǎn)，比如第（3）問的化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素，第（4）問的原電池正負(fù)極反應(yīng)式，第（5）問的金屬活潑性及氧化鋁薄膜等方面，試題雖然以一個很小的演示實驗為素材，但較全面地考察了學(xué)生對于所學(xué)知識融會貫通的能力。

3 試題點(diǎn)評

本題是以金屬腐蝕為背景的一道原創(chuàng)題，涉及化學(xué)反應(yīng)速率的計算及影響因素、金屬腐蝕原理、原電池、實驗改進(jìn)與探究等多方面知識，著重考查學(xué)生接受與處理信息的能力、表達(dá)能力、思維能力以及與物理知識間的綜合能力。

（1）試題源于教材但又高于教材。試題以教材中實驗為依托通過在實驗過程中遇到的問題比如反應(yīng)較慢、實驗現(xiàn)象單一等角度為實驗探究點(diǎn)，促使學(xué)生針對以上問題進(jìn)行相關(guān)探究并最終找到解決問題的方案，并不是教材實驗的簡單再現(xiàn)而是比教材的要求更高，比如第（5）小題純金屬吸氧腐蝕的考察就屬于對鋼鐵腐蝕的一個拓展。

（2）試題有較強(qiáng)的綜合性。這種綜合性既體現(xiàn)在學(xué)科內(nèi)的綜合又體現(xiàn)在學(xué)科間的綜合。在學(xué)科內(nèi)雖然本題主旨為金屬的吸氧腐蝕，但又涉及到化學(xué)反應(yīng)速率、氧化鋁薄膜等知識點(diǎn)的考查。

（3）問題設(shè)置由教材中熟知的實驗引出，順著實驗探究思路，針對每個實驗環(huán)節(jié)遇到的困難進(jìn)行相關(guān)問題的設(shè)置，顯得真實、自然、適度。同時所設(shè)置的問題均是考查學(xué)生最基本的知識和能力，包括在化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素及計算、電極反應(yīng)式的書寫、吸氧腐蝕的原理、常見物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)等內(nèi)容，這些均屬于高中化學(xué)對學(xué)生最基本的要求。

4 解題思路

第（1）題需明白鐵釘中含有Fe（作負(fù)極）和石墨（作正極），根據(jù)較為熟悉的銅鋅原電池裝置圖便可輕松畫出，此題旨在讓學(xué)生明白鋼鐵吸氧腐蝕的原理。

第（2）題可由影響化學(xué)反應(yīng)速率的幾大因素進(jìn)行推導(dǎo)，其中A為濃度、B為溫度、C為固體表面積，但B項直接加熱會使具支試管內(nèi)溫度持續(xù)升高，導(dǎo)管一端只會產(chǎn)生氣泡不會形成氣柱，因此應(yīng)改用水浴加熱，穩(wěn)定具支試管內(nèi)氣壓，D項用尖嘴管代替導(dǎo)管旨在放大實驗現(xiàn)象，以便于明顯觀察到水柱的上升。此外，由于在組裝儀器的過程中不管先塞緊橡膠塞還是先插入導(dǎo)管均會壓縮具支試管內(nèi)氣體，造成氣壓變大，導(dǎo)管內(nèi)液面下降，最終低于試管中液面。因此若要使氣柱上升就必須填補(bǔ)已經(jīng)下降的高度，自然需要更長時間。在選項中提供的幾個裝置中，A、B、C均可使具支試管內(nèi)外大氣相通，這樣便可使得導(dǎo)管內(nèi)外液面相平，不影響后續(xù)實驗。

第（3）題根據(jù)氣柱的體積（即O₂的體積）可換算出反應(yīng)消耗的O₂的物質(zhì)的量，再換算成Fe²⁺的物質(zhì)的量即可計算反應(yīng)速率。在后來所測數(shù)據(jù)中可看出反應(yīng)越來越慢，原因是O₂被消耗使其濃度降低的緣故。

第（4）問旨在通過檢驗正、負(fù)極反應(yīng)的兩種產(chǎn)物（OH^-和Fe²⁺）來找出吸氧腐蝕正負(fù)極反應(yīng)發(fā)生的大體位置，也可直觀地推測出正、負(fù)極反應(yīng)式。由于b點(diǎn)有Fe²⁺生成，自然b點(diǎn)較易腐蝕，這一實驗也改變了部分師生認(rèn)為較易腐蝕部位發(fā)生在a點(diǎn)這一固有觀念。

第（5）問中可根據(jù)題中所給實驗現(xiàn)象（金屬上的溶液顯紅色的先后順序）推導(dǎo)出幾種金屬腐蝕的快慢順序與其金屬活動性一致，鋁最慢的原因在于其表面極易形成致密的氧化鋁薄膜從而保護(hù)了內(nèi)層金屬不受腐蝕。

5 參考答案

（2）A、C、D；用熱水浴替換酒精燈；有；A

（3）0.79×10^-3 mol/(L·min)，氧氣的濃度

（4）

b點(diǎn)，理由：此處有藍(lán)色沉淀，說明生成Fe²⁺，鐵釘已經(jīng)腐蝕

（5）金屬活潑性，原因：裝置容易形成穩(wěn)定的氧化膜，延緩了腐蝕的進(jìn)程

參考文獻(xiàn)：

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