運用手持技術探究鐵的吸氧腐蝕

龐玉璽 汪嶸 唐其生

摘要：以初高中學段鐵的吸氧腐蝕實驗為切入點，比較了不同學段此實驗的教學功能；并就此部分內容的教學，嘗試利用數字化動態實驗進行實驗改進，探究鐵的吸氧腐蝕的微觀原理，促進學生在微觀和宏觀之間建立起一座“橋梁”，逐步建構微粒觀思維。

關鍵詞：吸氧腐蝕；數字化；微觀；教育解釋

文章編號：1008-0546（2016）05-0095-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.05.037

鐵的吸氧腐蝕是中學化學的常見實驗之一。在初中學段，此實驗是金屬性質和探究金屬腐蝕與防護的實驗載體；高中學段，則是氧化還原反應知識的延伸，是電化學知識在生產生活中的應用。不同學段的教學需求使得兩個學段對此實驗的要求和目的不同。初中學段需通過一組對比實驗比較鐵釘在不同實驗條件下的銹蝕情況 [1]了解鐵的腐蝕是氧氣和水共同作用的結果，即“是什么”造成了鐵的銹蝕；高中學段則需運用電化學相關知識理解吸氧腐蝕的微觀原理[2]，即“為什么”鐵會銹蝕。傳統上，對此部分內容的教學利用反應消耗氧氣而使裝置內氣壓減少、導管內液體倒吸的實驗現象 [3]結合鋼鐵吸氧腐蝕的示意圖進行微觀解釋。此實驗操作不確定影響因素多、現象不明顯且未對反應產物進行檢驗，這種教學方法更多關注的是用微觀過程對宏觀現象進行解釋，學生在思維上延續著初中宏觀思維的方式，如何從微觀層面上理解吸氧腐蝕的原理尚顯不足。

鑒于此，教師可以嘗試改進實驗裝置，利用手持技術——威尼爾數字氣壓、溫度傳感器，動態監測反應過程中氣壓和溫度的變化，并在實驗前加入滴有鐵氰化鉀、酚酞溶液[4]的小片濾紙以此來檢驗產物Fe2+和OH-，以期能將此實驗的初高中學段教學更加有效地銜接，通過精確的實驗數據及對產物的檢驗使學生從微觀本質角度理解宏觀現象，更好地理解吸氧腐蝕的原理，從而促進學生在微觀和宏觀之間建立起一座“橋梁”，逐步建構微粒觀思維。

一、鐵的吸氧腐蝕實驗裝置改進

裝置說明：儀器接口處用封口膜密封，向250mL的三頸燒瓶依次加入分別滴有鐵氰化鉀、酚酞的小片濾紙和固體粉末，利用恒壓漏斗向三頸燒瓶中滴加氯化鈉溶液。

二、教學設計片段

師：初中已經學過了鐵的銹蝕，鐵銹是什么？鐵在什么情況下容易銹蝕？

生1： 鐵在有氧氣和水的情況下易銹蝕生成Fe2O3·xH2O。

生2：若環境中存在酸溶液或者鹽溶液則更容易生銹。

師：這是什么原因造成的呢？我們向還原鐵粉和炭粉滴加氯化鈉溶液來代替水以增加實驗效果模擬鐵的銹蝕過程。Fe2+可使鐵氰化鉀變藍。

[演示實驗]將分別滴有鐵氰化鉀、酚酞溶液的小片濾紙置于250mL三頸燒瓶中，再將10g還原鐵粉與5g炭粉混合均勻后加入，采集數據，通過恒壓漏斗加入5mL氯化鈉溶液。

[展示實驗曲線]

[分組實驗1]將10g還原鐵粉置于250mL三頸燒瓶中，采集數據，通過恒壓漏斗加入5mL氯化鈉溶液。

[分組實驗2]將5g炭粉置于250mL三頸燒瓶中，采集數據，通過恒壓漏斗加入5mL氯化鈉溶液。

師：將各小組的對比實驗與吸氧腐蝕數據進行整合，得到了這樣的圖。

[討論]從圖中可以獲取哪些信息？

生：分析曲線，討論分析，得出結論。（還原鐵粉或炭粉中滴加氯化鈉溶液基本不反應，而在還原鐵粉和炭粉混合粉末中滴加氯化鈉溶液則會發生化學反應。）

師：在模擬鐵的銹蝕的反應過程中出現了溫度和氣壓的變化，說明了什么？

生：根據實驗數據，討論分析，得出結論。（隨反應的進行，溫度升高說明鐵的銹蝕是個放熱反應；溫度升高，但氣壓反而減小說明空氣中氧氣參與了反應。）

師：觀察三頸燒瓶內滴有鐵氰化鉀、酚酞溶液的小片濾紙的變化，又說明了什么？

生：根據濾紙上實驗現象，得出結論。（濾紙上滴有鐵氰化鉀的部位呈藍色，說明生成了Fe2+，滴有酚酞的部位呈微紅，說明生成了OH-。）

師：同學們根據初中化學的學習知道鐵在有氧氣和水的情況下易銹蝕。在實驗模擬鐵的銹蝕過程中，我們清楚地“看到了”因氧氣減少而造成的氣壓減少，又通過鐵氰化鉀和酚酞溶液檢驗了反應產物有Fe2+和OH-的生成。如何使用化學語言從氧化和還原兩個角度來描述這個反應呢？

生：討論分析，得出結論。（氧化反應：Fe→Fe2+，還原反應：O2+H2O→OH-。）

師：考慮電荷守恒和元素守恒將兩個過程配平。

生：討論分析。（氧化反應：Fe-2e→Fe2+，還原反應：O2+4e+2H2O→4OH-。）

師：通過監測反應過程中溫度變化，我們知道了這個氧化還原反應是個放熱的自發反應。能否從電化學角度進一步去分析這兩個過程呢？

生：討論分析，得出結論。（原電池，負極：Fe-2e→Fe2+，正極：O2+4e+2H2O→4OH-。）

師：我們將此過程稱為鐵的吸氧腐蝕。

生：我們知道鐵生銹產生氧化鐵，可現在實驗又告訴我們產生了Fe2+和OH-，這是怎么回事呢？

師：這個問題非常有價值。在鐵的銹蝕過程中，鐵和碳構成了原電池的兩極，生成了Fe2+和OH-，這兩種離子又是如何形成鐵銹的呢？同學們可以根據所學知識試著用化學方程式或離子方程式表示出來。

生：思考、討論。（Fe2++2OH-→Fe（OH）2↓；4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3；2Fe（OH）3+（x-3）H2O→Fe2O3·xH2O。）

三、教學設計思考

鐵的吸氧腐蝕實驗是氧化還原反應原理的在電化學中的應用之一，其反應微觀過程中電子轉移守恒觀和變化觀是氧化還原反應理論的核心思維。如何將反應的微觀變化盡可能通過技術手段呈現出來成為本教學設計的主要思想，手持技術的應用使得一些原本不明顯的現象更加明顯和可測。在具體的教學設計中，運用壓力傳感器監測反應過程中氣體壓力變化以說明氧氣參與了化學反應，用鐵氰化鉀溶液測定反應的產物Fe2+，使用酚酞試液檢測反應的另一產物OH-，并且用溫度傳感器動態測定反應過程中溫度變化以說明其是一個自發的氧化還原反應。學生們通過實驗、討論分析和思考自然地掌握了鐵的吸氧腐蝕的相關知識。

初中學段注重化學基本概念及理論的常識性和啟蒙性，在此實驗的具體實施上需觀察到鐵釘在不同條件下銹蝕的現象，實驗時間較長；高中學段的知識內容則更為系統化、整體化和應用化，需通過對實驗現象的思考分析去了解反應的抽象微觀原理，從而進一步理解氧化還原反應和電化學知識。根據高中學段教學需要改進的實驗裝置，引導學生從關注反應現象轉移到關注反應的原理和過程，通過監測反應過程中各種數據的變化，多角度去認識鐵的吸氧腐蝕微觀原理，拓展了學生的思維空間。

教育解釋學認為教師不是知識守望者和旁觀者，教師是經驗建構者。教師應精于把課程知識與自己、學生的經驗結合起來，敢于重構教參和教材，樂于和學生發展共有知識，善于引領學生進行有意義的經驗互動[5]。高中階段的學生對金屬腐蝕并非一無所知，他們有著豐富的生活經驗和在初中學習過程中獲得的知識，他們不是“空的容器”而是具有不同經驗的經驗者，但他們對此概念的認識往往停留在初中階段而可能存在許多錯誤的或不完善的理解。如何將他們的這些前概念或者說前經驗轉化為科學概念[6]，將生活常識轉變為科學認識，由表及里，由對現象的感性認識上升到對本質的理性認識？如何有效利用化學實驗的銜接實現知識的銜接、思維的銜接？如何將學生從經驗擁有者轉變到經驗建構的建構者？這些問題是初高中化學教師要共同面對的課題。隨著認知水平的不斷深入，學生對此實驗的認識經歷了由初中學段的“是什么”造成了鐵的銹蝕，到高中學段原電池相關內容學習后進一步認識“為什么”鐵會銹蝕，最終認識到鐵在“怎么樣”銹蝕，體現了認知過程由宏觀現象到微觀本質，由理論學習到知識應用的過程。在經驗建構的過程中學生的前經驗和新認識產生了認知沖突，而這些認知沖突又變成了促進學生再次研究認識的“催化劑”，引導他們追根究底，不斷探索。這不正是科學研究的雛形嗎？

參考文獻

[1] 王晶.九年義務教育課本九年級下冊·化學[M].北京：人民教育出版社，2012：17-18

[2] 姚子鵬.高級中學課本·化學拓展型課程[M].試用本.上海：上海科學技術出版社，2009：81-82

[3] 王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書：化學反應原理[M].第四版，南京：江蘇教育出版社，2009：23-24

[4] （美）菲利普等.化學概念與應用下冊[M].杭州：浙江教育出版社，2009：577

[5] 鄧友超.教育解釋學[M].北京：教育科學出版社，2009

[6] 王祖浩.化學課堂教學行為研究及案例[M].南昌.江西教育出版社，2009：303