對兩個電化學實驗及其教學策略的研究

文章編號:1005-6629(2010)01-0015-03 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:C

過去中學教材在介紹金屬的電化學腐蝕與防護這一內容時，主要是以敘述的方式介紹電化學腐蝕所涉及到的一些概念，如金屬腐蝕、化學腐蝕、電化學腐蝕等概念，重點分析析氫腐蝕、吸氧腐蝕、犧牲陽極的陰極保護法和外加電流的陰極保護法這些內容及其相應的4張示意圖，從未用實驗來介紹這些內容。而人教版《普通高中課程標準實驗教科書化學選修4 化學反應原理》(以下簡稱為人教版《化學反應原理》)一書一改過去的做法，第一次在中學教材中增加了兩個新穎有趣的實驗，一個是鐵的吸氧腐蝕實驗，另一個是驗證犧牲陽極的陰極保護法實驗，使人大開眼界，印象深刻。為了取得理想的教學效果，首先要能在短時間內保證實驗成功，其次要采取適當的教學策略，因此需要對這兩個電化學實驗及其使用的教學策略進行深入的研究才能達到此目的。

1對鐵的吸氧腐蝕實驗及其教學策略的研究

在學習金屬的電化學腐蝕的內容時，人教版《化學反應原理》一書是通過對第85頁的實驗4～3中實驗現象的觀察和分析這種形式來探究鐵的吸氧腐蝕實驗的。具體如下:將經過酸洗除銹后的鐵釘，用飽和食鹽水浸泡一下，放入圖4—17(即圖1)所示的具支試管中。幾分鐘后，觀察導管中水柱的變化，思考引起變化的原因。

實驗后，需要引導學生先仔細觀察這個實驗得出兩個重要的實驗現象:一是導管中有水柱上升，二是鐵釘有生銹的現象。然后引導學生分析思考引起這些變化的原因，尤其是要注意引導學生觀察出經過酸洗除銹的鐵釘，用飽和食鹽水浸泡一下，放入具支試管中，然后把橡膠塞塞入具支試管口，才把導管放入裝有5—6 mL水的試管中，幾分鐘后，鐵釘有生銹的現象(因為這個現象容易被學生分析時所忽視)。鐵釘生銹說明鐵被腐蝕了，但這里的鐵到底發生的是化學腐蝕?還是電化學腐蝕?是析氫腐蝕?還是吸氧腐蝕?就很值得學生去認真分析和思考。為了達到此目的，可以向學生提出為什么教材第85頁的圖4—17(即圖1)把實驗4—3這個實驗標明為鐵的吸氧腐蝕實驗這一問題供學生思考。這是因為鐵釘是鐵合金，不是純金屬，有利于發生電化學腐蝕，另外我們知道常溫下純鐵在干燥的空氣中不易與氧氣發生反應，說明此時的腐蝕現象不是以化學腐蝕為主，而是以電化學腐蝕為主。通過實驗可以觀察到導管中有水柱上升的現象，對此現象進行分析可以得出這是由于具支試管內的氣體減少造成的，加上食鹽水浸泡過的鐵釘有生銹的現象，聯想到原電池的反應原理，使學生茅塞頓開，就容易分析得出這是由于鐵釘發生了吸氧腐蝕的結果。具體分析如下:由于鐵釘是鐵碳合金，在生銹過程中，鐵為負極，失去電子被氧化為Fe2+;碳為正極，水膜里的氧氣從碳的表面得到鐵轉移過來的電子而被還原為OH-;負極發生的電極反應為:2Fe-4e-=2Fe2+，正極發生的電極反應為:2H2O+O2+ 4e-=4OH-;兩極生成的Fe2+和OH-結合生成Fe(OH)2，即 Fe2++2OH-=Fe(OH)2;Fe(OH)2 在空氣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 脫去一部水后就會生成鐵銹Fe2O3·xH2O。因此本實驗因發生鐵的吸氧腐蝕，使鐵釘生銹，使具支試管內的氧氣減少，造成具支試管和導管組成的密閉體系里的壓強降低，才會導致導管內的水柱上升一段距離。如果發生的是析氫腐蝕的話，因放出氫氣導管內就不會有水柱，并且導管下端和試管下部還應有氣泡產生。

為了能在短時間內看到導管中的水柱有明顯的上升，在實驗操作上需要注意以下幾點:

(1)實驗時鐵釘可放5～6枚，有利于增大鐵釘腐蝕時的耗氧量。

(2)當經過酸洗除銹，并用飽和食鹽水浸泡的鐵釘放入具支試管后，可以用MnO2作催化劑使H2O2分解產生的O2快速通入具支試管中，增大具支試管中O2的濃度，鐵的腐蝕速率加快，使水柱上升明顯，4～5 min后玻璃導管的水柱可上升5～6 cm，15～30 min后玻璃導管的水柱可上升10～15 cm。

(3)酸洗除銹后的鐵釘最好先用清水清洗，然后才用飽和食鹽水浸泡一下，以免殘留的酸液與鐵直接發生反應，使小試管有氣泡冒出干擾實驗，使學生誤認為發生的是析氫腐蝕。

(4)特別要注意一定要先把橡膠塞塞入具支試管口，然后才把導管放入裝有5～6 mL水的試管中，此時馬上拿起導管，沒有水柱，但1～2 min后，就會有0.5～2 cm左右的水柱，并可以提起導管給學生觀察，此時水柱不下落。由于在試管液面以下的水柱遠處的學生不易觀察，所以提取導管學生就很容易看到上升的水柱，有利于教師進行演示實驗。如果先把導管放入裝有5～6 mL水的試管中，再把橡膠塞塞入具支試管口，馬上拿起導管，就會有1～2 cm左右的水柱，這段水柱是由于橡膠塞塞入具支試管口排出的部分空氣而引起的。所以對比這兩個實驗操作后，學生才會真正信服先把橡膠塞塞入具支試管口，再把導管放入裝有水的試管中后，導管里的水柱上升的原因是具支試管里的氣體因發生化學反應而減少所造成的。需要特別提醒的是如果拿起導管，水柱下落，說明裝置漏氣，可能是橡膠塞和具支試管口以及橡皮管和玻璃導管之間不配套等原因造成的。

為了對這個實驗有更深刻的認識，還可以向學生進一步提出怎樣判斷具支試管內減少的氣體就是氧氣這樣一個問題供學生進行思考，進行實驗，以便得出正確的結論。判斷具支試管內減少的氣體就是氧氣的實驗的具體操作如下:待導管內的水柱不再緩慢上升后，打開具支試管的橡膠塞，點燃一根木條，然后把燃著木條伸入具支試管內，結果可以看到木條熄滅了，這一實驗現象可以充分說明具支試管內減少的氣體就是氧氣，因此從另一個角度證明這個實驗中所看到的鐵釘生銹的現象確實是因為發生了鐵的吸氧腐蝕所導致的結果。

這一實驗把鋼鐵在自然界中普遍發生的緩慢的電化學腐蝕現象，通過鐵的吸氧腐蝕實驗讓學生能在短時間、近距離親眼看到這個放大的自然現象，能學以致用，能解釋生活中的自然現象，讓學生感到親切、感到興奮，有利于學生能更好地理解金屬的吸氧腐蝕原理。

2對驗證犧牲陽極的陰極保護法實驗及教學策略

在學習金屬的電化學防護的內容時，人教版《化學反應原理》一書介紹了犧牲陽極的陰極保護法和外加電流的陰極保護法這兩種方法，并利用第87頁的科學探究中圖4～21(即圖2)的實驗裝置進行驗證犧牲陽極的陰極保護法實驗。

對實驗現象的觀察，可以看到電壓計指針有偏移，說明有電流產生，形成原電池;鋅電極不斷溶解減少，說明鋅電極作為原電池的負極，發生的電極反應為:Zn -2e→=Zn2+;鐵電極上有氣泡產生，說明鐵電極作為原電池的正極，由于3%的NaCl溶液是酸化了的溶液，所以鐵電極發生的電極反應為:2H++2e-→H2↑，但鐵電極中的鐵有沒有與氫離子直接發生置換反應:Fe+2H+=Fe2++H2↑就值得探索了，因此往鐵電極附近滴入2滴K3[Fe(CN)6]溶液時，溶液中無藍色沉淀生成，即可說明溶液中不存在Fe2+，鐵未被腐蝕。為了證明鐵電極既未被氧化為Fe2+，也未被氧化為Fe3+，因此需要補做兩個實驗。第一個需要補做的實驗是證明鐵電極沒有被氧化為Fe3+，所以需要先吸取鐵電極附近的清液少量于另一支試管中，再滴入KSCN溶液，看反應后溶液是否呈紅色，從而判斷鐵電極是否被氧化為Fe3+;只有滴入KSCN溶液后，混合溶液不變紅色，才能說明鐵電極沒有被氧化為Fe3+。第二個需要補做的實驗是Fe2+和[Fe(CN)6]3-反應的實驗，由于中學生從未見過Fe2+和[Fe(CN)6]3-反應的實驗現象，所以在檢驗鐵電極是否被氧化為Fe2+之前，需要補做第二個實驗;由于Fe2+溶液不易保存，都是臨時配制，所以再用一支試管取FeCl3溶液2 mL，往FeCl3溶液中先加入過量的鐵粉使Fe3+變成Fe2+，充分振蕩靜置后，先取少量的上層清液滴加KSCN溶液，當溶液不變紅色時(說明Fe3+已被全部還原為Fe2+)，然后才再取一定量的上層清液， 滴加K3[Fe(CN)6]溶液，讓學生親眼看到有藍色沉淀生成，才能使學生信服犧牲陽極的陰極保護法的實驗進行一段時間后往鐵電極附近滴入K3[Fe(CN)6]溶液，溶液中無藍色沉淀生成，即可說明溶液中不存在Fe2+。這里需要說明的是實驗時要先吸取鐵電極附近的清液做第一個補做實驗，證明鐵電極沒有被氧化為Fe3+，以及做完第二個需要補做的實驗Fe2+和[Fe(CN)6]3-反應生成藍色的鐵氰化亞鐵沉淀，才能做往鐵電極附近滴入2滴 K3[Fe(CN)6]溶液， 證明鐵電極也沒有被氧化為Fe2+，結合這兩個實驗現象才能說明在Fe、Zn和酸化的3 % NaCl溶液組成的原電池在反應中鐵電極未被腐蝕，而是被保護，這個實驗充分說明了較活潑的鋅通過原電池反應阻止了鐵的析氫腐蝕。

通過對此實驗現象的探究所得出的結論讓學生親眼看到作為陰極的鐵未發生反應，只有作為陽極的鋅發生反應，所以我們把這種類型的金屬防護稱為犧牲陽極的陰極保護法，這種方法從中學生的容易理解和接受的角度來看，實質上是犧牲負極的正極保護法。

參考文獻:

[1]宋心琦，何少華.普通高中課程標準實驗教科書化學選修4 化學反應原理第三版[M].北京:人民教育出版社，2007: 84～88

[2]何少華等.普通高中課程標準實驗教科書化學選修4 化學反應原理教師教學用書[M].北京:人民教育出版社，2004:94.