電化學腐蝕和化學腐蝕速率對比實驗研究

方云

摘要：金屬的腐蝕是日常生活中最常見的問題，然而高中生對金屬腐蝕的現(xiàn)象并沒有過程性的體驗，也缺乏直觀的認識。本研究旨在運用數(shù)字化實驗來顯示各種情況下金屬腐蝕（以鐵為例）速率，讓學生體驗金屬腐蝕的過程，更好地幫助學生解決金屬腐蝕中的認知難點。

關(guān)鍵詞：電化學腐蝕；化學腐蝕；氧氣傳感器

文章編號：1008-0546（2017）12-0090-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.12.032

一、問題的提出

在高中化學必修2“化學能與電能”中對原電池原理的研究建立了金屬電化學腐蝕學習的基礎。在選修1化學與生活“金屬的腐蝕和防護”中又重點研究了以鐵為例的電化學腐蝕。但是無論是必修2還是選修1都沒有對金屬腐蝕問題的實驗演示，所以學生對日常生活中最常見的金屬腐蝕原理卻沒有深刻的感受和體驗。大多數(shù)情況下，在教學中教師都會采取如下實驗進行教學。

該實驗通過試管內(nèi)氧氣的消耗引起的倒吸現(xiàn)象，來間接體現(xiàn)鐵的電化學腐蝕。也可在試管中只裝鐵粉進行化學腐蝕進行對比。但是該實驗卻有諸多不理想的情況：

（1）該實驗的現(xiàn)象受到了導管粗細的影響，教室后排的同學并不能很好的觀察；

（2）若要進行更多的對比實驗，操作就會復雜嚴重影響課堂教學時間控制；

（3）學生只能關(guān)注到實驗結(jié)果沒有形成過程體驗；

（4）該實驗不利于學生的進一步探究，不能更好地解決課堂中即時生成的問題和學生質(zhì)疑。

所以基于以上的諸多問題，筆者嘗試利用數(shù)字化實驗中傳感器技術(shù)（氧氣）對該實驗加以改進。

二、實驗過程

1.試劑與儀器

鐵粉、碳粉、飽和食鹽水、蒸餾水、試管、鐵架臺、氧氣傳感器、電腦（帶數(shù)字化實驗軟件）等。

2.實驗步驟

（1）準備好電腦及軟件，校準兩只氧氣傳感器（分別標注1、2）至21%作為起點；

（2）建立好坐標系，縱坐標：氧氣含量最大值設為25%，橫坐標：時間最大值設為200秒；

（3）如圖，同時進行兩組實驗進行對比；

①第一組裝置中裝上鐵粉即可；

②第二組裝置中模擬電化學腐蝕的環(huán)境：用飽和食鹽水潤洗試管，裝上等質(zhì)量鐵粉和少量碳粉混合固體；

③分別在兩只鐵架臺上固定好試管；

（4）接好氧氣傳感器，開始實驗；

（5）觀察投影上數(shù)據(jù)的變化，進行對比，得出結(jié)論。

三、實驗結(jié)論及分析

1.實驗結(jié)果分析

從圖3可見，曲線變化的趨勢非常明顯的看出：曲線0（藍色線）下降的變化非常明顯表示該試管中氧氣的消耗是非常快的，從而說明了模擬電化學腐蝕環(huán)境中鐵的腐蝕速度明顯快于另外一只試管中的化學腐蝕。

2.實驗注意事項

從圖4我們可以發(fā)現(xiàn)，兩曲線的起點不一致，是因為吸氧腐蝕消耗氧氣速度太快了。我們在實驗中一定要先連接好純鐵粉試管，再連接模擬電化學腐蝕的試管后立即啟動電腦進行測試。這樣操作可以保持起點一致。

四、實驗拓展

1.通過以上方式，我們可以進行各種環(huán)境下鐵粉腐蝕快慢的對比。例如：純鐵和鐵碳混合物在有水或無水環(huán)境下腐蝕的對比；又如鐵粉和碳粉混合物在水和較低濃度食鹽水環(huán)境下腐蝕快慢的對比（實驗結(jié)果如圖5）。

2.該實驗可以解決日常生活的一些常見問題：如暖寶寶工作的原理。教師可以利用該裝置安排課后探究實驗讓學生體驗“暖寶寶”工作原理。在實驗中試管有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，用手觸摸就可以明確的感受到。同時教師可以啟發(fā)學生來探究電化學腐蝕過程中氧氣含量曲線下降先慢后快的原因：先感受試管發(fā)熱現(xiàn)象，再引導學生利用“溫度對化學反應速率的影響”來解決問題。

3.可以通過定量研究來解決以下問題：鐵粉和碳粉在什么質(zhì)量比下，鐵粉的腐蝕速率最快。我們只要控制不同的質(zhì)量比進行實驗就可以通過數(shù)據(jù)采集器中曲線變化的對比得出結(jié)論。

五、實驗反思

1.實驗設計要簡單，操作性要強。該實驗改進既可以做演示實驗，又適合學生走進數(shù)字化實驗室進行分組實驗。

2.實驗結(jié)果要直觀。由氧氣的消耗速度到鐵的腐蝕速度轉(zhuǎn)化，符合學生的認知水平，既讓學生關(guān)注了過程又獲得了科學研究的方法。和傳統(tǒng)的倒吸實驗比較，該實驗更加有利于學生的觀察，并將過程和結(jié)果直接通過屏幕展現(xiàn)給所有的同學。

3.實驗要注重過程的展示。該實驗將每一秒的變化都展示給了學生，給了學生強烈的過程性體驗。

4.實驗要有利于學生的探究。該實驗可以進行不同情況下金屬腐蝕快慢的對比，也可以做定量實驗，同時也能解決引導學生利用已有知識進行探究。

5.實驗要為課堂教學服務。任何實驗的改進或設計都要緊緊圍繞化學課堂，要服務于教師教學和學生學習。那些脫離了化學教學，超越了學生認知水平的實驗設計，即使實驗手段再先進也是不可取的。endprint