鐵制品銹蝕探究實驗的改進及教學應用

司璐璐

摘要：針對人教版九年級化學下冊第八單元“鐵制品銹蝕條件的探究實驗”中2號試管的鐵釘也生銹的情況，利用威尼爾溶解氧傳感器對蒸餾水以及經煮沸后迅速冷卻的蒸餾水中氧氣含量的變化進行的測定，建立數據模型，得出2號試管中鐵釘生銹與氧氣未除盡有關，同時將該實驗成果應于用課堂教學，提供學生真實的探究情境展開學習。

關鍵詞：溶解氧傳感器;鐵制品銹蝕;實驗教學設計

文章編號：1008-0546（2020）09-0091-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

一、問題的提出

人教版九年級化學下冊第八單元課題3《金屬資源的利用和保護》中關于鐵制品銹蝕條件的探究實驗，教材中的安排是由學生提前一周開始做，連續(xù)觀察一周，每天記錄現象。在實際教學中，很少有教師提前一周讓學生做實驗，而且在教材中并未給出實驗的具體現象和結論，那么該實驗的現象究竟是什么呢？通常我們認為的是1號試管中鐵釘生銹，2號和3號試管中鐵釘生銹不明顯，事實是不是這樣呢？帶著這樣的疑問，我們按照書上所用儀器和藥品進行了實驗，實驗設計如圖1所示。

通過第一天與第七天的實驗對比（如圖2所示），可以發(fā)現1號試管中鐵釘生銹明顯，2號試管中鐵釘有略微生銹，3號鐵釘沒有生銹。

2號試管中為什么會出現與之前預設不同的現象呢？我們進行了多次反復實驗，均出現這樣的反常現象，為了弄清原因，進行了以下實驗過程的設計。

二、實驗過程的設計

根據鐵制品銹蝕的條件可以知道，鐵制品銹蝕實際上是鐵與空氣中氧氣、水蒸氣等發(fā)生的化學反應。2號試管中既然鐵釘生銹了，說明鐵一定是與氧氣和水同時接觸了。由此想到是不是在經加熱煮沸并迅速冷卻的蒸餾水中仍然溶解了少量的氧氣呢？通過什么方法能夠加以證明呢？可選擇如圖3所示的威尼爾數字實驗儀器中的溶解氧傳感器來進行測定。

1.實驗儀器和藥品

蒸餾水、燒杯、試管架、酒精燈、火柴、試管夾、特制試管、威尼爾溶解氧傳感器、電腦因威尼爾溶解氧傳感器（如圖3所示）探頭較粗較短，我們選擇了內徑約12mm的大試管并用砂輪打磨后截去一半，留下的試管高度約為10cm，制成了特制試管（如圖4①所示）。并使用（如圖4②所示）的塑料試管架，其中最大的孔正好可以放置該特制試管。還可以根據需要，將其他孔的直徑進行處理，滿足可以放置多個大試管的需求（如圖4③所示）。

2.實驗過程

（1）在兩支特制試管中分別裝入等量蒸餾水。用溶解氧傳感器測定一支試管中蒸餾水中氧氣含量。

（2）用酒精燈將另一支試管中的蒸餾水加熱至沸騰，并持續(xù)一段時間。

（3）將特制試管塞上橡膠塞，并放入裝有冷水的燒杯中迅速冷卻。

（4）充分冷卻后，從第一支特制試管中取出溶解氧傳感器，迅速伸入加熱并冷卻過的特制試管中，用溶解氧傳感器測定此時特制試管中蒸餾水的氧氣含量（如圖5所示）。

3.實驗數據

經過多次實驗，反復測量，蒸餾水的溶解氧約在10mg/L左右，經煮沸并迅速冷卻后的蒸餾水中的溶解氧約在3.5mg/L左右（如圖6所示）。

為了保證實驗數據的準確性，起始值為普通蒸餾水中的溶解氧含量，然后迅速將溶解氧傳感器取出后再放入經過處理的蒸餾水中進行測定。最終值即為經煮沸并迅速冷卻后的蒸餾水中的溶解氧含量。

4.實驗反思

因為經煮沸并迅速冷卻后的蒸餾水中的存在著一定量的氧氣，所以2號試管中的鐵釘仍然同時接觸到了氧氣和水，所以長期放置后，2號試管中的鐵釘也生銹了。但因其氧氣濃度小于1號試管，所以生銹的速度比1號試管慢。

三、課堂應用實錄

該實驗過程中2號試管的反常現象，正好創(chuàng)設了一個真實的學習情境，在學生認知出現沖突時，恰恰是激發(fā)他們探究欲的好時機，因此我們將該研究成果應用于“金屬的腐蝕與防護”的課堂教學中。具體教學過程如下：

【學生分組實驗】根據教材中提到實驗用品，提供實物給學生，學生自主設計鐵制品銹蝕條件的探究實驗，并進行匯報。

【提出問題】學生匯報結束后，提出問題，為什么使用蒸餾水？以及為什么用煮沸后再迅速冷卻的蒸餾水？

【學生回答】此時學生一般能夠答出第一個問題，因為要避免普通水中的其他成分對實驗產生干擾。對于第二個問題，回答出來的較少。此時教師可以引導學生圍繞2號試管的實驗設計目的來思考答案，這時很多學生能夠想到是為了減少氧氣含量。

【演示實驗】用溶解氧傳感器測量蒸餾水中的氧氣含量，讀取數據約為10mg/L左右，再將蒸餾水煮沸后迅速冷卻，再次測量氧氣含量。通過電腦展示的威尼爾軟件，顯示溶解氧含量的曲線呈現下降趨勢。

【得出結論】將蒸餾水煮沸后迅速冷卻，確實是為了減少其中的氧氣含量，目的是達到該試管中鐵釘只與水接觸。

【觀看視頻】因該實驗時間較長，教師展示自己在一周之前開始錄制的該實驗的視頻，學生通過觀看視頻中的實驗現象得出，鐵制品銹蝕的過程實際上是鐵與空氣中的氧氣、水蒸氣等發(fā)生化學反應的過程。

【創(chuàng)設情境】教師展示用于錄制視頻的實驗裝置，學生通過仔細觀察，發(fā)現2號試管中鐵釘也略有生銹。

【提出問題】請學生根據剛剛建立的鐵制品銹蝕的條件的思維模型分析，經過一段時間后，2號試管中鐵釘也略有生銹的原因。

【學生回答】煮沸可能沒有完全除去水中的氧氣，2號試管中的鐵釘仍然同時接觸了氧氣和水。

【實驗驗證】教師再次打開剛剛的威尼爾軟件，發(fā)現經過一段時間后，數據穩(wěn)定在3mg/L左右。

【得出結論】通過數據顯示，水中仍然存在著一定氧氣。煮沸時并沒有完全除去水中的氧氣，鐵釘仍然同時和氧氣、水接觸。所以2號試管中的鐵釘也生銹了。

【拓展延伸】對比實驗1和2鐵釘生銹的快慢，可以發(fā)現，什么因素影響了鐵制品銹蝕的快慢呢？

【學生】氧氣含量。

四、實驗及教學中的注意事項

1.用于加熱的蒸餾水量不能過多，否則煮沸和冷卻時間均會比較長，不利于課堂教學。也不能過少，因溶解氧傳感器的探頭在側面，距離末端有一定位置，如果水太少的話，探頭接觸不到水，將無法進行測定。因此用特制試管（內徑12mm）的話，水最好加在15mm高度。這樣基本在一到兩分鐘之內可以保證水被煮沸，也可保證探頭順利地接觸到水。

2.冷卻時可將試管放入裝有冷水的燒杯中，但畢竟還需要一些時間。這段時間內，教師可引導學生對分組設計實驗的過程進行評價，既不浪費時間，也讓學生反思對實驗原理、實驗操作的掌握以及小組合作的情況，對學生的評價將更加多元化。評價量表如表1所示。

3.溶解氧的數據觀察應分三次完成。第一次是普通蒸餾水中的溶解氧，第二次是經過處理后觀察溶解氧含量的變化趨勢。因溶解氧傳感器的測量需要一定的時間，大約在300秒后才比較穩(wěn)定，所以此時不需要一直等到數據穩(wěn)定。可以讓軟件在后臺繼續(xù)運行，教師和學生繼續(xù)下面的課程。當學生通過觀察發(fā)現2號試管中的反常現象，并提出可能在2號試管中仍存一定的溶解氧的猜測時，教師再打開剛才的威尼爾軟件，此時數據已經穩(wěn)定了，這是第三次讀數。這樣既可以節(jié)約有限的課堂時間，提高課堂效率，也引導學生經歷了真實的科學探究，培養(yǎng)了學生勇于探索、獨立思考、敢于質疑和勇于創(chuàng)新的科學精神。