基于手持技術的實驗教學設計

余帆

【摘要】由于受到氧氣的干擾，在使用教材上將相關方法進行鐵的析氫腐蝕時會持續按異常倒吸現象，借此來引導學生利用手持技術來深究其中原因，繼而再讓學生運用探究結果進行改進，得到多種新的實驗裝置，讓學生能夠發現問題、分析問題以及解決問題。另外，筆者將根據相關工作經驗，采用手持技術對鐵的吸氧腐蝕進行演示實驗改進，利用氧氣傳感器來測定吸氧腐蝕中溶液PH值的變化。研究發現鐵的電化學腐蝕是一個較為緩慢的氧化過程。

【關鍵詞】手持技術 實驗教學設計 鐵的析氫腐蝕

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）03-0251-01

教材上相關設計的方案在進行析氫腐蝕試驗下，不僅僅看不到壓強增大以及產生氣泡等現象，反而發生了倒吸現象，這一異常現象引起了學生的疑惑，繼而也引起了相關教師的興趣。鋼鐵的析氫腐蝕與吸氧腐蝕是一個緩慢的氧化過程，即使傳統的對比實驗已經進行了多次實驗來改進縮短反應實踐，使得反應現象更為明顯，但是無法對實現現象做出定性分析，也不利于學生理解析氫腐蝕和吸氧腐蝕的基本概念。筆者將根據相關工作經驗，分析金屬的電化學腐蝕在原電池內容的基礎上所開展的相關工作，以期能夠解決化學教學中的重難點內容。在酸性較強條件下，主要以析氫腐蝕為主；在中性條件下，主要以吸氧腐蝕為主；在弱酸性條件下，析氫腐蝕與吸氧腐蝕同時發生。

一、深入討論，探討真實化學

分析析氫腐蝕中的氫氣產生，對試管中壓強減小反而出現倒吸現象，對于這一異常現象教師與教師之間進行深入討論。試管中除了產生空氣之外，還產生氫氣，氮氣不參與反應，那么氧氣是否會參加相關反應。當負極與電解質溶液不反應時，會發生吸氧腐蝕或析氫腐蝕

發生吸氧腐蝕條件為：中性或弱酸性介質正極：2H2O +O2 +4e====4OH-，負極：Fe --- 2e ===Fe2+；析氫腐蝕：酸性介質，正極：2H+ + 2e ==== H2，負極：Fe --- 2e ===Fe2+。在酸性條件下，吸氧腐蝕容易發生；在標準狀態時，吸氧腐蝕的電動勢比析氫腐蝕的電動勢大1.22V。

在上述討論之后，異常現象所出現的原因變得更為清晰：在酸性條件下，吸氧腐蝕和析氫腐蝕是競爭反應，當吸氧腐蝕所占上風時會出現倒吸現象。在課堂教學過程中，此種問題應該避免還是深入研究，教師產生了不同的觀點：（1）一種觀點認為此類問題不是教學的重點，在教材中沒有重大體現，考試過程中也不做深刻要求，因此在課堂上完全可以回避此類實驗，只要知道酸性條件下鐵腐蝕會生成氫氣就可以；（2）在現實情況下，鐵腐蝕不會在無氧環境下發生，在析氫腐蝕發生的同時必然會伴隨著吸氧腐蝕的發生，實驗中所說的異常與書本上的預設不同，但是在現實生活中會發生此種情形，一旦回避此種問題，既與科學的態度背道而馳，也不利于培養學生的辯證性思維。在上述激烈爭論中，不應該回避鐵腐蝕問題，回歸到現實生活中，將真實的化學進行詳細講解才能夠有利于學生的長期發展。此種問題對學生來說較為抽象，因為學生在實驗過程中還是能夠看到氫氣的產生以及氣泡的出現。那么，如何才能夠讓學生看到氧氣也參與了其中反應。

二、引入手持技術，分析影響因素，激發創新潛能

1.相關影響因素

如果直接將結果告知學生，勢必會影響到學生的思維能力有效培養，將抽象概念具體化則需要教師適時引入手持技術，讓學生使用氧氣傳感器來進行相關實驗，定性感受氧氣參與反應的具體過程，并進行定量分析。

實驗1：向250ml容積的反應瓶中分別加入190ml10%與150ml10%稀醋酸溶液，使用氧氣傳感器檢驗氧氣含量，得出相關數據。

實驗2：將10%稀醋酸溶液加入碳粉以及鐵粉的反應瓶中，使用氧氣傳感器檢測氧氣變化以及壓強變化。此實驗發現，在開始之初，壓強略有一定程度下降，氧氣含量顯著減少，此實驗表明氧氣在酸性條件下確實參與相關反應。

瓶中剩余空氣的體積為60ml時，其反應結束的時間為36min，結束時氧氣的含量為14.35%；瓶中剩余空氣的體積為100ml時，其反應結束的時間為50min，結束時氧氣的含量為14.75%.通過實驗1與實驗2的定量研究表明，瓶中所參與的空氣越少則吸氧腐蝕發生的時間越短，最后氧氣含量降為0；在降低到一定數值時，保持基本不變。此時學生意識到當氧氣的分壓逐漸變小，吸氧腐蝕的速率逐漸變慢，也很難進行下一步實驗。

2.激發創新潛能

通過分組實驗，學生意識到想要看到明顯的析氫腐蝕現象，首先需要排除到氧氣的干擾，其次要想辦法排除裝置中的空氣，最后將學生分成若干小組，在討論改進實驗方法中讓學生跳脫出傳統教案束縛，激發學生的創新能力。可以通過以下兩種實驗方法來進行改進：

（1）提高醋酸濃度。加入稀醋酸，生成氫氣速率太慢，使得析氫腐蝕占據下風。在使用濃度較大的醋酸時，發現小試管中出現冒氣泡現象，但是析氫腐蝕模擬的是鋼鐵在酸度較大的自然條件下發生腐蝕，一旦直接用強酸做實驗，則失去析氫腐蝕的現實意義。

（2）套管實驗裝置。在講解碳酸氫鈉性質時，需要使用套管裝置，將此類知識進行遷移，并且將析氫腐蝕實驗與吸氧腐蝕放在套管中進行之后收到不一樣的效果。在觀察過程中，將小試管中的空氣排除，填滿支管口，觀察析氫腐蝕現象首先由輕微倒吸現象，繼而將液柱反轉向外移動，變成氣壓增大狀況。

三、結束語

綜上所述，在金屬析氫腐蝕以及吸氧腐蝕過程中，不僅僅伴隨著物質氧化的變化還伴隨著壓強的變化，此時可以借助電子傳感器中的化學反應變化，利用手持技術對析氫腐蝕以及吸氧腐蝕試驗進行補充與改進。

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