“金属的电化学腐蚀与防护”教学设计
2020-01-10王丽辉吴丽霞
王丽辉 吴丽霞
一、引言
人教版《化学(选修4)》课本中第四章《电化学基础》共包括原电池，电解池，化学电源和金属的电化学腐蚀和防护四小节的内容[1]。“金属的电化学腐蚀与防护”是《电化学基础》这一章的最后一节教学内容。在教学安排上，此节内容既涉及初中所学的金属氧化，又利用到此章前面讲到的原电池和电解池的知识点，有利于学生将前面所学零散知识进行系统梳理[2]。
在人们的日常生活和生产活动中，金属腐蚀是较为常见的现象。例如，铁器的生锈，银器的表面变黑和铝器表面出现白斑都属于金属腐蚀现象[3]。金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。相比较而言，电化学腐蚀更为常见，危害更大。例如，由于金属与铁垢之间电位差的产生，在喷燃气附近，炉管的向火侧等易产生电化学腐蚀现象，容易造成金属穿孔或者超温爆管。金属的电化学腐蚀不仅影响了人们的日常生活，而且造成的经济损失数以亿计，远远超过其他自然灾害所造成的经济损失总和[4]。因此，学习金属的电化学腐蚀，进行金属电化学腐蚀防护是有利于国计民生的重大问题。
本文将对“金属的电化学腐蚀与防护”这一节进行教学设计。本教学设计将这节内容分为两部分进行教学：第一部分为金属的电化学腐蚀，介绍金属的化学腐蚀与电化学腐蚀的概念，强调金属化学腐蚀与电化学腐蚀的区别与联系，以此揭示电化学腐蚀的本质。讲述过程中采用了问题引导法和实验探究法，形成学生为主体的课堂教学氛围。并让学生通过小组讨论的形式学习钢铁电化学腐蚀原理，探讨钢铁析氢腐蚀和吸氧腐蚀的区别；第二部分为金属电化学防护的教学，通过图片描述法使得学生掌握电化学腐蚀防护的两种方法：牺牲阴极保护法和外加电流阴极保护法，探讨了其工作原理、优点和缺点。在教学方法上，主要采取问题引导法、教师讲授法、小组讨论法和实验探究法进行教学。希望本教学设计能取得良好的教学效果。
二、教学方案
1.教学内容分析
在本节课之前，学生已学习过原电池和电解池的构造及工作原理，也已经掌握了几种常见的化学电池。本节课在前面学习基础上，将进一步学习金属的电化学腐蚀原理及两种金属电化学腐蚀防护的办法。
2.教学目标
(1)掌握电化学腐蚀的原理，揭示电化学腐蚀的本质；(2)掌握吸氧腐蚀和析氢腐蚀的本质；(3)掌握金属的电化学腐蚀防护的两种方法。
3.教学重点
(1)金属的电化学腐蚀本质；(2)金属的电化学腐蚀防护措施。
4.教学难点
(1)金属的电化学腐蚀工作原理；(2)电化学腐蚀正负极反应的书写；(3)金属的电化学腐蚀防护措施及其工作原理。
5.教学方法
(1)小组讨论法；(2)实验探究法；(3)对比法；(4)问题引导法。
6.教学过程
图片展示—教师引导—小组讨论—实验探究—教师讲授—知识拓展—总结练习。
(1)复习
【教师提出问题】前几节课我们已经学习过原电池和电解池，同学们回想一下原电池和电解池的构造和工作原理。
学生回答，教师总结并在黑板右侧书写有关原电池和电解池的知识要点，板书设计如图1所示。
图1 原电池和电解池知识要点的板书设计
(2)导课
【教师引课】同学们，图2给出了生活中常见的金属腐蚀现象，相信图片中的场景大家在生活中也见过。现在我们思考这样几个问题，这些场景我们在哪里见过？
图2 生活中的各种金属腐蚀现象
【学生回答】在学校大门上见过，在锅炉房的锅炉上见过，在水房的水管上见过……
【教师追问】看来同学们生活经验丰富，那么同学们再思考一下，这些现象都是怎么产生的？都依据什么化学原理？
【学生回答】环境潮湿，有水，有空气，金属易于被氧化。
【教师追问】上面这位同学回答很好，金属被氧化就会腐蚀掉，但为什么同样金属放在不同环境中，有的快速氧化，有的氧化速度较慢呢？
【学生思考】……
【教师总结】最后这个问题使大多数同学陷入了思考，是啊，金属腐蚀速度快慢究竟和什么有关？接下来进入我们这节课的学习内容。
7.教学内容
(1)金属的化学腐蚀与电化学腐蚀
【教师讲解】金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀，下面老师给出两者的概念[8]。教师讲解并板书，金属的化学腐蚀与电化学腐蚀概念的板书设计如图3所示。
图3 金属的化学腐蚀与电化学腐蚀概念板书设计
【教师提问】同学们依照已学的相关知识和电化学腐蚀的概念，思考一下为什么在干燥的空气中钢铁不易生锈，而在潮湿的空气中却容易生锈？
【学生回答】潮湿的空气中有水。
【教师追问】很好，同学们说出了关键，潮湿的空气中有水，显然水是参加了反应，那么怎么参加的？水起到什么样的作用？
【学生思考】……
【教师讲解】钢铁与潮湿的空气接触，一方面，外表形成了一个薄层水膜，又由于潮湿的空气中含有二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体，因此水膜显酸性，有氢离子存在，此时的水膜成了酸性电解质溶液。另一方面，钢铁中既含有碳，又含有比碳活泼的铁元素，加上电解质溶液就构成了原电池。金属铁在原电池中作为负极，失去电子被氧化，因此加速了金属的腐蚀。下面我们一起看一下钢铁表面电化学腐蚀的相关图片。
【多媒体图片展示，教师讲解】图中我们可以看到，钢铁表面可以形成很多微小的原电池，这是钢铁电化学腐蚀速度快于普通化学腐蚀的真正原因。
【教师提问】请同学们思考一下金属的化学腐蚀和电化学腐蚀有何异同？
【学生思考并回答】……
教师总结并绘制化学腐蚀与电化学腐蚀的区别和联系的表格，见表1。
表1 金属化学腐蚀与电化学腐蚀的区别和联系
【教师提问】上面讲到水膜呈现酸性，钢铁发生电化学腐蚀。那当水膜为弱酸性甚至中性时还会发生电化学腐蚀吗？
【学生回答】会发生，因为水管内壁用久了也会腐蚀，但是水管中的水并没有吸收空气中的二氧化碳。
【教师追问】这位同学回答得非常好，那我们思考一下，酸性不同，钢铁的电化学腐蚀原理是否一样？
【学生思考】……
【教师讲解】看来这个问题把同学们难住了。那下面，老师带领大家学习一下两种钢铁的电化学腐蚀原理。当电解质溶液处于不同酸性条件下，金属的电化学腐蚀是不一样的。在酸性环境下发生析氢腐蚀，在弱酸性或中性环境下发生吸氧腐蚀[9]。
教师总结并板书，钢铁的两种电化学腐蚀工作原理板书设计如图4所示。
图4 钢铁的两种电化学腐蚀工作原理板书设计
【教师提问】根据老师板书内容，大家思考一下，为什么酸性不同，电化学腐蚀原理不一样啊？
【学生回答】水膜中酸性不同，作为正负极的物质不同。
【教师追问】为什么酸性不同，正负极的物质就不同呢？
【学生思考】可能不同条件下，形成了不同的原电池。
【教师总结】酸性条件下，氢离子与氢气组成正极；弱酸性条件或中性条件下，氧气与水组成正极。正极物质不同，构成了不同的原电池，因此工作原理不同[10]。
【实验探究环节】为了让同学们对钢铁的电化学腐蚀有更为直观的印象，请大家依照图5所示实验方法，进行分组操作并记录实验现象。
图5 铁的吸氧腐蚀实验方案和实验装置图
【学生总结实验现象】经过观察发现铁钉的表面变黑，导管中水柱液面上升。
【学生探讨并解释实验现象】铁钉发生吸氧腐蚀，使装置中O2减少，气体压强减小，使水柱液面上升。
【教师追问】在本实验中，为什么发生吸氧腐蚀而非析氢腐蚀呢？
【学生思考并回答】……
【教师讲解】实验中以饱和食盐水作为电解质，溶液呈现中性，同时试管中存在部分空气，此环境下水溶液中氧气与水构成了原电池的正极，铁与铁离子为负极，因而发生了吸氧腐蚀。
(2)金属的电化学腐蚀防护
【教师讲解】上面我们了解了金属的电化学腐蚀的工作原理，也了解了金属的电化学腐蚀的危害，如何进行金属电化学腐蚀防护是一个值得思考的问题，接下来我们一起学习金属电化学腐蚀的防护方法(如图6所示)。
①牺牲阳极的阴极保护法
图6 钢闸门牺牲阳极的阴极保护法
【教师讲解】分析图6所示装置，根据图中电子流动方向，同学们判断一下，谁是阳极？谁是阴极？
【学生回答】钢闸门作为阴极，锌板作为阳极。
【教师追问】图6中装置为什么就能实现对钢闸门的保护？
【学生回答】锌板作为负极，失去电子被氧化，从而保护阳极中钢闸门不被氧化。
【教师追问】同学们想一下，这种方法有什么优缺点？
学生回答，教师总结并板书，板书设计如图7所示。
图7 牺牲阳极的阴极保护法板书设计
【教师讲解】从上面总结出我们可以看出，牺牲阳极的保护法简单实用，但不可避免有其自身的缺点。这些缺点可能导致其应用局限性。下面我们学习另一种电化学腐蚀的防护办法(如图8所示)。
②外加电流的阴极保护法
图8 钢闸门的外加电流阴极防护
【教师提问】同学们观察一下，图6和图8有什么不同？
【学生回答】图8中有电源，而图6中没有。图8中阳极为石墨，图6中为金属锌。
【教师追问】图8中有外加电源，其工作原理是什么？
【学生回答】应该是电解池的原理。
【教师追问】为什么图8中选择比铁不活泼的碳(石墨)作为阳极？
【学生回答】因为电解池的工作原理是，阳极中阴离子失去电子，阴极阳离子得到电子，把被保护的金属设备作为阴极，电子流向阴极，即被保护的金属电极，使被保护的金属表面的腐蚀电流降至近似为零或者为零，从而保护了阴极。
教师总结外加电流的阴极保护法并板书，板书设计如图9所示。
图9 外加电流的阴极保护法
【课上练习】
1.钢铁锈蚀过程中可能发生的变化是(A)
①Fe由单质转化为+2价；②Fe由+2价转化为+3价；③产生氢气；④产生氧气；⑤杂质C被氧化除去；⑥Fe(OH)3失水变成Fe2O3·3H2O
A.①②③⑥ B.①③④ C.只有①③ D.全部
2.以下现象与电化学腐蚀无关的是(D)
A.黄铜(铜锌合金)制作的锣不易产生铜绿
B.生铁比纯铁容易生锈
C.铁质配件附有铜质配件，在接触处易生铁锈
D.银质物品久置表面变暗
三、结语
本文对人教版《化学(选修4)》第四章《电化学基础》最后一节“金属的化学线腐蚀与防护”进行了教学设计。在教学过程中采用问题引导法、教师讲授法、小组讨论法和实验探究法相结合的方法进行教学，此种教学方法灵活，体现了以学生为主体的课堂氛围，学生易于接受，收到了较好的教学效果。
