金属的电化学腐蚀实验创新

武 汉 大 学 附 属 中 学(430072) 李 鼎

湖北省武汉市洪山高级中学(430074) 江 薇

关于金属的电化学腐蚀,课程标准的相关要求为：了解金属发生电化学腐蚀的本质;知道金属腐蚀的危害;了解防止金属腐蚀的措施;同时建议教师开展铁的吸氧腐蚀以及暖贴的设计等实验探究活动。在实际教学中,人教版高中化学选修4第4章“金属的电化学腐蚀与防护”设计的实验是直接将浸过饱和食盐水的铁钉置于具支试管中观察现象,该实验只能让学生定性的了解金属发生吸氧腐蚀的过程,难以将课标要求落到实处。笔者在结合已有研究成果的基础上,利用数字化实验仪器将该实验进行改进,并有效地应用于化学教学中。

1 实验目的

(1)通过析氢腐蚀、吸氧腐蚀的实验,增强对金属发生电化学腐蚀的微观本质的认识,完善电化学的知识体系。

(2)利用数字化实验仪器探究吸氧腐蚀,将微观发生的反应可视化,引导学生宏观辨识现象,微观探究分析本质,发展宏观辨识与微观探析、科学探究与创新意识等。

(3)通过对暖宝宝发热原理的探究,学会运用化学知识解决生活中简单的化学问题,提升学生化学学科核心素养。

2 实验用品

实验仪器：朗威数字化实验仪器(氧气传感器、空气湿度传感器、压强传感器、温度传感器)、多功能反应容器(自制)、U 型管、T 型连接管、橡皮管、培养皿。

实验药品：铁粉、碳粉、盐酸(pH＝2)、酚酞、暖宝宝。

3 实验原理

3.1 实验探究：析氢腐蚀和吸氧腐蚀一体化实验

钢铁在pH 为2～3左右的环境中,先以析氢腐蚀为主,一段时间后以吸氧腐蚀为主。在密闭容器内(见图1),装入一定量的自制钢铁样品(铁粉和碳粉混合物),连接装置,检查装置气密性后,将塑料胶头滴管中的盐酸滴入容器内,先发生析氢腐蚀,一段时间后发生吸氧腐蚀。

图1 金属的电化学腐蚀实验装置图

3.2 拓展实验：暖宝宝发热原理的探究

暖宝宝的主要成分为：碳粉、活性炭、盐、水、吸水树脂、蛭石等。暖宝宝工作发热是由于铁碳在电解质溶液中形成原电池,发生吸氧腐蚀,放出热量。

图2 暖宝宝发热原理的探究装置图

在密闭容器中放入暖宝宝(见图2),容器内由于铁发生吸氧腐蚀,容器内氧气浓度下降。吸收树脂本身吸收的水在工作过程中释放,虽然铁发生吸氧腐蚀消耗水,但不足以抵消,容器内空气湿度上升。铁发生吸氧腐蚀放出热量,容器内温度升高。

4 实验操作

4.1 析氢腐蚀和吸氧腐蚀一体化实验

实验装置如图1所示。将7g铁粉和0.7g碳粉混合均匀,装入反应容器中,连接好实验仪器,检查装置气密性。将塑料胶头滴管中的盐酸挤入反应容器中,打开止水夹平衡内外气压,使U 型管左右液面保持相平,关闭止水夹,观察并记录实验现象。

4.2 暖贴发热实验

按图2连接好实验装置,将暖贴打开并装入反应容器中,打开数字化实验系统,观察并记录数据,实验结束,绘制图像。

5 实验现象及数据分析

5.1 实验探究：析氢腐蚀和吸氧腐蚀一体化实验

析氢腐蚀和吸氧腐蚀一体化实验现象及相关实验数据记录见表2。实验中,压强计显示的容器内压强变化及氧气的百分含量变化如图3所示。

表2 实验现象及数据分析

图3 实验中容器内压强及氧气百分含量的变化

5.2 拓展实验：暖宝宝发热原理的探究

如图4所示,容器内由于铁发生吸氧腐蚀,容器内氧气浓度下降。铁发生吸氧腐蚀放出热量,容器内温度升高。暖宝宝中含有吸水树脂,吸水树脂本身吸收的水在工作过程中释放,虽然铁发生吸氧腐蚀消耗水,但不足以抵消,容器内空气湿度上升。该实验展示了化学在生活中的应用,学生可以感受到化学给我们的生活带来了很大的便利。

图4 暖宝宝发热原理实验数据

6 改进的意义

(1)金属的电化学腐蚀实验装置(见图1),盐酸选取合适的浓度,利用压强传感器和氧气传感器,一次实验中既可以看到析氢腐蚀的现象又可以看到吸氧腐蚀的现象,方便快捷且将微观变化可视化,也能更加清晰的让学生理解弱酸性条件下也可以发生吸氧腐蚀这一知识。同时利用数字化实验系统的数据,将实验的分析由定性的角度到定量的角度,多角度认识金属的电化学腐蚀过程中的物质变化。

(2)在暖宝宝发热原理探究实验中(见图2),引入氧气传感器、空气湿度传感器、温度传感器等数字化实验仪器,注重定量研究,培养学生“实验—现象—数据—结论”的科学素养,打好实验基础。从宏观辨识实验现象,结合数字化实验对微观粒子的变化进行图像表征,进行微观探析,最后用符号进行表征。在三重表征的基础上增加图像表征,实现四重表征。

(3)利用家用塑料密封罐自制多功能反应容器,实验材料易获取,体现了变废为宝的绿色化学理念,具有仪器组装方便快捷、装置气密性良好、反应之后易清洗等特点。