对两个电化学实验及其教学策略的研究_电化学实验
时间：2019-02-07 03:24:14 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
文章编号:1005-6629(2010)01-0015-03 中图分类号:G633.8 文献标识码:C 过去中学教材在介绍金属的电化学腐蚀与防护这一内容时,主要是以叙述的方式介绍电化学腐蚀所涉及到的一些概念,如金属腐蚀、化学腐蚀、电化学腐蚀等概念,重点分析析氢腐蚀、吸氧腐蚀、牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法这些内容及其相应的4张示意图,从未用实验来介绍这些内容。而人教版《普通高中课程标准实验教科书化学选修4 化学反应原理》(以下简称为人教版《化学反应原理》)一书一改过去的做法,第一次在中学教材中增加了两个新颖有趣的实验,一个是铁的吸氧腐蚀实验,另一个是验证牺牲阳极的阴极保护法实验,使人大开眼界,印象深刻。为了取得理想的教学效果,首先要能在短时间内保证实验成功,其次要采取适当的教学策略,因此需要对这两个电化学实验及其使用的教学策略进行深入的研究才能达到此目的。
1对铁的吸氧腐蚀实验及其教学策略的研究
在学习金属的电化学腐蚀的内容时,人教版《化学反应原理》一书是通过对第85页的实验4～3中实验现象的观察和分析这种形式来探究铁的吸氧腐蚀实验的。具体如下:将经过酸洗除锈后的铁钉,用饱和食盐水浸泡一下,放入图4―17(即图1)所示的具支试管中。几分钟后,观察导管中水柱的变化,思考引起变化的原因。
实验后,需要引导学生先仔细观察这个实验得出两个重要的实验现象:一是导管中有水柱上升,二是铁钉有生锈的现象。然后引导学生分析思考引起这些变化的原因,尤其是要注意引导学生观察出经过酸洗除锈的铁钉,用饱和食盐水浸泡一下,放入具支试管中,然后把橡胶塞塞入具支试管口,才把导管放入装有5―6 mL水的试管中,几分钟后,铁钉有生锈的现象(因为这个现象容易被学生分析时所忽视)。铁钉生锈说明铁被腐蚀了,但这里的铁到底发生的是化学腐蚀?还是电化学腐蚀?是析氢腐蚀?还是吸氧腐蚀?就很值得学生去认真分析和思考。为了达到此目的,可以向学生提出为什么教材第85页的图4―17(即图1)把实验4―3这个实验标明为铁的吸氧腐蚀实验这一问题供学生思考。这是因为铁钉是铁合金,不是纯金属,有利于发生电化学腐蚀,另外我们知道常温下纯铁在干燥的空气中不易与氧气发生反应,说明此时的腐蚀现象不是以化学腐蚀为主,而是以电化学腐蚀为主。通过实验可以观察到导管中有水柱上升的现象,对此现象进行分析可以得出这是由于具支试管内的气体减少造成的,加上食盐水浸泡过的铁钉有生锈的现象,联想到原电池的反应原理,使学生茅塞顿开,就容易分析得出这是由于铁钉发生了吸氧腐蚀的结果。具体分析如下:由于铁钉是铁碳合金,在生锈过程中,铁为负极,失去电子被氧化为Fe2+;碳为正极,水膜里的氧气从碳的表面得到铁转移过来的电子而被还原为OH-;负极发生的电极反应为:2Fe-4e-=2Fe2+,正极发生的电极反应为:2H2O+O2+ 4e-=4OH-;两极生成的Fe2+和OH-结合生成Fe(OH)2,即 Fe2++2OH-=Fe(OH)2;Fe(OH)2 在空气中又很容易被氧化成Fe(OH)3,即 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O =4Fe(OH)3; 而Fe(OH)3 脱去一部水后就会生成铁锈Fe2O3・xH2O。因此本实验因发生铁的吸氧腐蚀,使铁钉生锈,使具支试管内的氧气减少,造成具支试管和导管组成的密闭体系里的压强降低,才会导致导管内的水柱上升一段距离。如果发生的是析氢腐蚀的话,因放出氢气导管内就不会有水柱,并且导管下端和试管下部还应有气泡产生。
为了能在短时间内看到导管中的水柱有明显的上升,在实验操作上需要注意以下几点:
(1)实验时铁钉可放5～6枚,有利于增大铁钉腐蚀时的耗氧量。
(2)当经过酸洗除锈,并用饱和食盐水浸泡的铁钉放入具支试管后,可以用MnO2作催化剂使H2O2分解产生的O2快速通入具支试管中,增大具支试管中O2的浓度,铁的腐蚀速率加快,使水柱上升明显,4～5 min后玻璃导管的水柱可上升5～6 cm,15～30 min后玻璃导管的水柱可上升10～15 cm。
(3)酸洗除锈后的铁钉最好先用清水清洗,然后才用饱和食盐水浸泡一下,以免残留的酸液与铁直接发生反应,使小试管有气泡冒出干扰实验,使学生误认为发生的是析氢腐蚀。
(4)特别要注意一定要先把橡胶塞塞入具支试管口,然后才把导管放入装有5～6 mL水的试管中,此时马上拿起导管,没有水柱,但1～2 min后,就会有0.5～2 cm左右的水柱,并可以提起导管给学生观察,此时水柱不下落。由于在试管液面以下的水柱远处的学生不易观察,所以提取导管学生就很容易看到上升的水柱,有利于教师进行演示实验。如果先把导管放入装有5～6 mL水的试管中,再把橡胶塞塞入具支试管口,马上拿起导管,就会有1～2 cm左右的水柱,这段水柱是由于橡胶塞塞入具支试管口排出的部分空气而引起的。所以对比这两个实验操作后,学生才会真正信服先把橡胶塞塞入具支试管口,再把导管放入装有水的试管中后,导管里的水柱上升的原因是具支试管里的气体因发生化学反应而减少所造成的。需要特别提醒的是如果拿起导管,水柱下落,说明装置漏气,可能是橡胶塞和具支试管口以及橡皮管和玻璃导管之间不配套等原因造成的。
为了对这个实验有更深刻的认识,还可以向学生进一步提出怎样判断具支试管内减少的气体就是氧气这样一个问题供学生进行思考,进行实验,以便得出正确的结论。判断具支试管内减少的气体就是氧气的实验的具体操作如下:待导管内的水柱不再缓慢上升后,打开具支试管的橡胶塞,点燃一根木条,然后把燃着木条伸入具支试管内,结果可以看到木条熄灭了,这一实验现象可以充分说明具支试管内减少的气体就是氧气,因此从另一个角度证明这个实验中所看到的铁钉生锈的现象确实是因为发生了铁的吸氧腐蚀所导致的结果。
这一实验把钢铁在自然界中普遍发生的缓慢的电化学腐蚀现象,通过铁的吸氧腐蚀实验让学生能在短时间、近距离亲眼看到这个放大的自然现象,能学以致用,能解释生活中的自然现象,让学生感到亲切、感到兴奋,有利于学生能更好地理解金属的吸氧腐蚀原理。
2对验证牺牲阳极的阴极保护法实验及教学策略
在学习金属的电化学防护的内容时,人教版《化学反应原理》一书介绍了牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法这两种方法,并利用第87页的科学探究中图4～21(即图2)的实验装置进行验证牺牲阳极的阴极保护法实验。
对实验现象的观察,可以看到电压计指针有偏移,说明有电流产生,形成原电池;锌电极不断溶解减少,说明锌电极作为原电池的负极,发生的电极反应为:Zn -2e→=Zn2+;铁电极上有气泡产生,说明铁电极作为原电池的正极,由于3%的NaCl溶液是酸化了的溶液,所以铁电极发生的电极反应为:2H++2e-→H2↑,但铁电极中的铁有没有与氢离子直接发生置换反应:Fe+2H+=Fe2++H2↑就值得探索了,因此往铁电极附近滴入2滴K3[Fe(CN)6]溶液时,溶液中无蓝色沉淀生成,即可说明溶液中不存在Fe2+,铁未被腐蚀。为了证明铁电极既未被氧化为Fe2+,也未被氧化为Fe3+,因此需要补做两个实验。第一个需要补做的实验是证明铁电极没有被氧化为Fe3+,所以需要先吸取铁电极附近的清液少量于另一支试管中,再滴入KSCN溶液,看反应后溶液是否呈红色,从而判断铁电极是否被氧化为Fe3+;只有滴入KSCN溶液后,混合溶液不变红色,才能说明铁电极没有被氧化为Fe3+。第二个需要补做的实验是Fe2+和[Fe(CN)6]3-反应的实验,由于中学生从未见过Fe2+和[Fe(CN)6]3-反应的实验现象,所以在检验铁电极是否被氧化为Fe2+之前,需要补做第二个实验;由于Fe2+溶液不易保存,都是临时配制,所以再用一支试管取FeCl3溶液2 mL,往FeCl3溶液中先加入过量的铁粉使Fe3+变成Fe2+,充分振荡静置后,先取少量的上层清液滴加KSCN溶液,当溶液不变红色时(说明Fe3+已被全部还原为Fe2+),然后才再取一定量的上层清液, 滴加K3[Fe(CN)6]溶液,让学生亲眼看到有蓝色沉淀生成,才能使学生信服牺牲阳极的阴极保护法的实验进行一段时间后往铁电极附近滴入K3[Fe(CN)6]溶液,溶液中无蓝色沉淀生成,即可说明溶液中不存在Fe2+。这里需要说明的是实验时要先吸取铁电极附近的清液做第一个补做实验,证明铁电极没有被氧化为Fe3+,以及做完第二个需要补做的实验Fe2+和[Fe(CN)6]3-反应生成蓝色的铁氰化亚铁沉淀,才能做往铁电极附近滴入2滴 K3[Fe(CN)6]溶液, 证明铁电极也没有被氧化为Fe2+,结合这两个实验现象才能说明在Fe、Zn和酸化的3 % NaCl溶液组成的原电池在反应中铁电极未被腐蚀,而是被保护,这个实验充分说明了较活泼的锌通过原电池反应阻止了铁的析氢腐蚀。
通过对此实验现象的探究所得出的结论让学生亲眼看到作为阴极的铁未发生反应,只有作为阳极的锌发生反应,所以我们把这种类型的金属防护称为牺牲阳极的阴极保护法,这种方法从中学生的容易理解和接受的角度来看,实质上是牺牲负极的正极保护法。
参考文献:
[1]宋心琦,何少华.普通高中课程标准实验教科书化学选修4 化学反应原理第三版[M].北京:人民教育出版社,2007: 84～88
[2]何少华等.普通高中课程标准实验教科书化学选修4 化学反应原理教师教学用书[M].北京:人民教育出版社,2004:94.
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