电化学腐蚀和化学腐蚀速率对比实验研究

方云

摘要：金属的腐蚀是日常生活中最常见的问题，然而高中生对金属腐蚀的现象并没有过程性的体验，也缺乏直观的认识。本研究旨在运用数字化实验来显示各种情况下金属腐蚀（以铁为例）速率，让学生体验金属腐蚀的过程，更好地帮助学生解决金属腐蚀中的认知难点。

关键词：电化学腐蚀；化学腐蚀；氧气传感器

文章编号：1008-0546（2017）12-0090-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.12.032

一、问题的提出

在高中化学必修2“化学能与电能”中对原电池原理的研究建立了金属电化学腐蚀学习的基础。在选修1化学与生活“金属的腐蚀和防护”中又重点研究了以铁为例的电化学腐蚀。但是无论是必修2还是选修1都没有对金属腐蚀问题的实验演示，所以学生对日常生活中最常见的金属腐蚀原理却没有深刻的感受和体验。大多数情况下，在教学中教师都会采取如下实验进行教学。

该实验通过试管内氧气的消耗引起的倒吸现象，来间接体现铁的电化学腐蚀。也可在试管中只装铁粉进行化学腐蚀进行对比。但是该实验却有诸多不理想的情况：

（1）该实验的现象受到了导管粗细的影响，教室后排的同学并不能很好的观察；

（2）若要进行更多的对比实验，操作就会复杂严重影响课堂教学时间控制；

（3）学生只能关注到实验结果没有形成过程体验；

（4）该实验不利于学生的进一步探究，不能更好地解决课堂中即时生成的问题和学生质疑。

所以基于以上的诸多问题，笔者尝试利用数字化实验中传感器技术（氧气）对该实验加以改进。

二、实验过程

1.试剂与仪器

铁粉、碳粉、饱和食盐水、蒸馏水、试管、铁架台、氧气传感器、电脑（带数字化实验软件）等。

2.实验步骤

（1）准备好电脑及软件，校准两只氧气传感器（分别标注1、2）至21%作为起点；

（2）建立好坐标系，纵坐标：氧气含量最大值设为25%，横坐标：时间最大值设为200秒；

（3）如图，同时进行两组实验进行对比；

①第一组装置中装上铁粉即可；

②第二组装置中模拟电化学腐蚀的环境：用饱和食盐水润洗试管，装上等质量铁粉和少量碳粉混合固体；

③分别在两只铁架台上固定好试管；

（4）接好氧气传感器，开始实验；

（5）观察投影上数据的变化，进行对比，得出结论。

三、实验结论及分析

1.实验结果分析

从图3可见，曲线变化的趋势非常明显的看出：曲线0（蓝色线）下降的变化非常明顯表示该试管中氧气的消耗是非常快的，从而说明了模拟电化学腐蚀环境中铁的腐蚀速度明显快于另外一只试管中的化学腐蚀。

2.实验注意事项

从图4我们可以发现，两曲线的起点不一致，是因为吸氧腐蚀消耗氧气速度太快了。我们在实验中一定要先连接好纯铁粉试管，再连接模拟电化学腐蚀的试管后立即启动电脑进行测试。这样操作可以保持起点一致。

四、实验拓展

1.通过以上方式，我们可以进行各种环境下铁粉腐蚀快慢的对比。例如：纯铁和铁碳混合物在有水或无水环境下腐蚀的对比；又如铁粉和碳粉混合物在水和较低浓度食盐水环境下腐蚀快慢的对比（实验结果如图5）。

2.该实验可以解决日常生活的一些常见问题：如暖宝宝工作的原理。教师可以利用该装置安排课后探究实验让学生体验“暖宝宝”工作原理。在实验中试管有明显的发热现象，用手触摸就可以明确的感受到。同时教师可以启发学生来探究电化学腐蚀过程中氧气含量曲线下降先慢后快的原因：先感受试管发热现象，再引导学生利用“温度对化学反应速率的影响”来解决问题。

3.可以通过定量研究来解决以下问题：铁粉和碳粉在什么质量比下，铁粉的腐蚀速率最快。我们只要控制不同的质量比进行实验就可以通过数据采集器中曲线变化的对比得出结论。

五、实验反思

1.实验设计要简单，操作性要强。该实验改进既可以做演示实验，又适合学生走进数字化实验室进行分组实验。

2.实验结果要直观。由氧气的消耗速度到铁的腐蚀速度转化，符合学生的认知水平，既让学生关注了过程又获得了科学研究的方法。和传统的倒吸实验比较，该实验更加有利于学生的观察，并将过程和结果直接通过屏幕展现给所有的同学。

3.实验要注重过程的展示。该实验将每一秒的变化都展示给了学生，给了学生强烈的过程性体验。

4.实验要有利于学生的探究。该实验可以进行不同情况下金属腐蚀快慢的对比，也可以做定量实验，同时也能解决引导学生利用已有知识进行探究。

5.实验要为课堂教学服务。任何实验的改进或设计都要紧紧围绕化学课堂，要服务于教师教学和学生学习。那些脱离了化学教学，超越了学生认知水平的实验设计，即使实验手段再先进也是不可取的。endprint