基于手持技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

余帆

【摘要】由于受到氧氣的干擾，在使用教材上將相關(guān)方法進(jìn)行鐵的析氫腐蝕時(shí)會(huì)持續(xù)按異常倒吸現(xiàn)象，借此來引導(dǎo)學(xué)生利用手持技術(shù)來深究其中原因，繼而再讓學(xué)生運(yùn)用探究結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，得到多種新的實(shí)驗(yàn)裝置，讓學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題。另外，筆者將根據(jù)相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，采用手持技術(shù)對(duì)鐵的吸氧腐蝕進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，利用氧氣傳感器來測(cè)定吸氧腐蝕中溶液PH值的變化。研究發(fā)現(xiàn)鐵的電化學(xué)腐蝕是一個(gè)較為緩慢的氧化過程。

【關(guān)鍵詞】手持技術(shù) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì) 鐵的析氫腐蝕

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）03-0251-01

教材上相關(guān)設(shè)計(jì)的方案在進(jìn)行析氫腐蝕試驗(yàn)下，不僅僅看不到壓強(qiáng)增大以及產(chǎn)生氣泡等現(xiàn)象，反而發(fā)生了倒吸現(xiàn)象，這一異常現(xiàn)象引起了學(xué)生的疑惑，繼而也引起了相關(guān)教師的興趣。鋼鐵的析氫腐蝕與吸氧腐蝕是一個(gè)緩慢的氧化過程，即使傳統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)來改進(jìn)縮短反應(yīng)實(shí)踐，使得反應(yīng)現(xiàn)象更為明顯，但是無法對(duì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象做出定性分析，也不利于學(xué)生理解析氫腐蝕和吸氧腐蝕的基本概念。筆者將根據(jù)相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，分析金屬的電化學(xué)腐蝕在原電池內(nèi)容的基礎(chǔ)上所開展的相關(guān)工作，以期能夠解決化學(xué)教學(xué)中的重難點(diǎn)內(nèi)容。在酸性較強(qiáng)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(shí)發(fā)生。

一、深入討論，探討真實(shí)化學(xué)

分析析氫腐蝕中的氫氣產(chǎn)生，對(duì)試管中壓強(qiáng)減小反而出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象，對(duì)于這一異常現(xiàn)象教師與教師之間進(jìn)行深入討論。試管中除了產(chǎn)生空氣之外，還產(chǎn)生氫氣，氮?dú)獠粎⑴c反應(yīng)，那么氧氣是否會(huì)參加相關(guān)反應(yīng)。當(dāng)負(fù)極與電解質(zhì)溶液不反應(yīng)時(shí)，會(huì)發(fā)生吸氧腐蝕或析氫腐蝕

發(fā)生吸氧腐蝕條件為：中性或弱酸性介質(zhì)正極：2H2O +O2 +4e====4OH-，負(fù)極：Fe --- 2e ===Fe2+；析氫腐蝕：酸性介質(zhì)，正極：2H+ + 2e ==== H2，負(fù)極：Fe --- 2e ===Fe2+。在酸性條件下，吸氧腐蝕容易發(fā)生；在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，吸氧腐蝕的電動(dòng)勢(shì)比析氫腐蝕的電動(dòng)勢(shì)大1.22V。

在上述討論之后，異常現(xiàn)象所出現(xiàn)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(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，當(dāng)吸氧腐蝕所占上風(fēng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象。在課堂教學(xué)過程中，此種問題應(yīng)該避免還是深入研究，教師產(chǎn)生了不同的觀點(diǎn)：（1）一種觀點(diǎn)認(rèn)為此類問題不是教學(xué)的重點(diǎn)，在教材中沒有重大體現(xiàn)，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(shí)驗(yàn)，只要知道酸性條件下鐵腐蝕會(huì)生成氫氣就可以；（2）在現(xiàn)實(shí)情況下，鐵腐蝕不會(huì)在無氧環(huán)境下發(fā)生，在析氫腐蝕發(fā)生的同時(shí)必然會(huì)伴隨著吸氧腐蝕的發(fā)生，實(shí)驗(yàn)中所說的異常與書本上的預(yù)設(shè)不同，但是在現(xiàn)實(shí)生活中會(huì)發(fā)生此種情形，一旦回避此種問題，既與科學(xué)的態(tài)度背道而馳，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的辯證性思維。在上述激烈爭(zhēng)論中，不應(yīng)該回避鐵腐蝕問題，回歸到現(xiàn)實(shí)生活中，將真實(shí)的化學(xué)進(jìn)行詳細(xì)講解才能夠有利于學(xué)生的長(zhǎng)期發(fā)展。此種問題對(duì)學(xué)生來說較為抽象，因?yàn)閷W(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中還是能夠看到氫氣的產(chǎn)生以及氣泡的出現(xiàn)。那么，如何才能夠讓學(xué)生看到氧氣也參與了其中反應(yīng)。

二、引入手持技術(shù)，分析影響因素，激發(fā)創(chuàng)新潛能

1.相關(guān)影響因素

如果直接將結(jié)果告知學(xué)生，勢(shì)必會(huì)影響到學(xué)生的思維能力有效培養(yǎng)，將抽象概念具體化則需要教師適時(shí)引入手持技術(shù)，讓學(xué)生使用氧氣傳感器來進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，定性感受氧氣參與反應(yīng)的具體過程，并進(jìn)行定量分析。

實(shí)驗(yàn)1：向250ml容積的反應(yīng)瓶中分別加入190ml10%與150ml10%稀醋酸溶液，使用氧氣傳感器檢驗(yàn)氧氣含量，得出相關(guān)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)2：將10%稀醋酸溶液加入碳粉以及鐵粉的反應(yīng)瓶中，使用氧氣傳感器檢測(cè)氧氣變化以及壓強(qiáng)變化。此實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在開始之初，壓強(qiáng)略有一定程度下降，氧氣含量顯著減少，此實(shí)驗(yàn)表明氧氣在酸性條件下確實(shí)參與相關(guān)反應(yīng)。

瓶中剩余空氣的體積為60ml時(shí)，其反應(yīng)結(jié)束的時(shí)間為36min，結(jié)束時(shí)氧氣的含量為14.35%；瓶中剩余空氣的體積為100ml時(shí)，其反應(yīng)結(jié)束的時(shí)間為50min，結(jié)束時(shí)氧氣的含量為14.75%.通過實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)2的定量研究表明，瓶中所參與的空氣越少則吸氧腐蝕發(fā)生的時(shí)間越短，最后氧氣含量降為0；在降低到一定數(shù)值時(shí)，保持基本不變。此時(shí)學(xué)生意識(shí)到當(dāng)氧氣的分壓逐漸變小，吸氧腐蝕的速率逐漸變慢，也很難進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

2.激發(fā)創(chuàng)新潛能

通過分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生意識(shí)到想要看到明顯的析氫腐蝕現(xiàn)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(xué)生分成若干小組，在討論改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法中讓學(xué)生跳脫出傳統(tǒng)教案束縛，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。可以通過以下兩種實(shí)驗(yàn)方法來進(jìn)行改進(jìn)：

（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(jù)下風(fēng)。在使用濃度較大的醋酸時(shí)，發(fā)現(xiàn)小試管中出現(xiàn)冒氣泡現(xiàn)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(fā)生腐蝕，一旦直接用強(qiáng)酸做實(shí)驗(yàn)，則失去析氫腐蝕的現(xiàn)實(shí)意義。

（2）套管實(shí)驗(yàn)裝置。在講解碳酸氫鈉性質(zhì)時(shí)，需要使用套管裝置，將此類知識(shí)進(jìn)行遷移，并且將析氫腐蝕實(shí)驗(yàn)與吸氧腐蝕放在套管中進(jìn)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(xiàn)象首先由輕微倒吸現(xiàn)象，繼而將液柱反轉(zhuǎn)向外移動(dòng)，變成氣壓增大狀況。

三、結(jié)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(zhì)氧化的變化還伴隨著壓強(qiáng)的變化，此時(shí)可以借助電子傳感器中的化學(xué)反應(yīng)變化，利用手持技術(shù)對(duì)析氫腐蝕以及吸氧腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充與改進(jìn)。

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