一道關于“鐵的吸氧腐蝕”的原創(chuàng)題

摘要：利用人教版新教材（選修4）中的一個實驗為素材，命制了一道涉及鐵的吸氧腐蝕原理、實驗探究與改進等知識的原創(chuàng)題，并對試題的命制意圖和解題過程進行了分析。

關鍵詞：吸氧腐蝕；原創(chuàng)題；命題意圖；解題思路

文章編號： 1005–6629(2012)5–0061–03 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 原創(chuàng)試題

某課外實驗探究小組按照人教版新教材（選修4）中實驗裝置（圖1）探究鋼鐵的吸氧腐蝕：

（1）畫出圖1裝置相應的原電池裝置示意圖，并標出該原電池的正、負極以及電子移動的方向。

（2）該實驗小組按照圖1裝置進行實驗的過程中，等待了近8分鐘才看到導管中液柱的上升，他們認為是反應速率太慢的緣故，你認為以下哪些措施可以更快更清晰地觀察到實驗現象（ ），其中不合理的措施可以修改為 。

A.用純氧氣代替具支試管內的空氣

B.用酒精燈對具支試管進行加熱，提高反應溫度

C.將鐵釘用膠水潤濕后并蘸取鐵粉和炭粉的混合粉末

D.用毛細尖嘴管代替玻璃導管，并向試管的水中滴加少量紅墨水

除了以上選項中的原因可能導致反應速率較慢之外，該研究小組還認為圖1裝置在組裝過程中必定會導致導管內液面低于試管中液面，這樣會導致導管中液柱上升需要更多的時間，你認為此種說法 （“有”或“沒有”）道理，若沒有道理你的理由是 ，若有道理，你認為下列裝置可以消除上述影響的是。

（3）該實驗小組利用（2）中的探究結果將教材中實驗進行了多方面的改進（圖2，NaCl溶液50 mL），最終測得了以下數據（表1）。用Fe²⁺的濃度隨時間的變化率表示鐵釘在前3分鐘的腐蝕速率（導管直徑為1 cm，忽略導管厚度的影響）為 ，根據表1數據你認為影響鋼鐵腐蝕的主要因素為 。

表1 液柱高度隨時間的變化（標準狀況下）

（4）為了能夠更加直觀地證明鐵釘腐蝕過程中所發(fā)生的反應，該實驗小組在裝置改進前按照表2進行實驗，并且取得了滿意的效果，請完成下表。

表2 研究小組的實驗探究過程

根據表2中實驗現象你認為 （填a或b）點較易腐蝕，理由是 。

（5）該研究小組認為純金屬也可能發(fā)生吸氧腐蝕，于是他們做了以下實驗進行驗證：在除去氧化膜的Mg、Al、Zn、Fe 4種金屬片上各滴一滴含酚酞的NaCl溶液，數分鐘后金屬片上按照Mg、Zn、Fe、Al的先后順序均出現了紅色。根據實驗你認為純金屬發(fā)生吸氧腐蝕的快慢與 有關，鋁片上最后出現紅色的原因在于 。

2 命題意圖

與人教版老教材相比，新教材（選修4）在“金屬的電化學腐蝕”一節(jié)內容中增加了一個演示實驗，即鐵釘的吸氧腐蝕，目的在于增強學生對金屬吸氧腐蝕的感性認識。但就筆者的實際教學經驗來看，該實驗在實驗現象以及教學目標上均存在一些不足，為了彌補這些不足，筆者命制了此道試題，具體如下：

（1）通過此題可將金屬吸氧腐蝕的實驗現象及微觀反應過程有效地進行結合，比如在第（1）問中教材實驗裝置圖已經給出了導管水柱上升這一預期實驗現象，但產生這一現象的本質原因是什么？如何讓學生更清楚地建立本質與現象之間的聯(lián)系呢？該問中巧妙地讓學生畫出原電池裝置示意圖，通過示意圖中的各種標記（正、負極，電子移動方向等）便可清晰考查學生對吸氧腐蝕原理的掌握情況。

（2）試題命制過程中自然而然地將新課程對學生提出的能力要求進行了考查。試題第（2）問啟發(fā)學生對該實驗提出質疑，并且利用已有的化學、物理知識進行推理，接著試題（3）、（4）兩問是考查學生的實驗探究能力，且難度上升了一個高度，這樣的編排，將新課程的思想傳遞給了教師和學生：不僅要提出問題，更應該在實踐中利用已有的知識解決問題。

（3）試題的命制融合了本冊（選修4）教材中的幾大重要知識點，比如第（3）問的化學反應速率的影響因素，第（4）問的原電池正負極反應式，第（5）問的金屬活潑性及氧化鋁薄膜等方面，試題雖然以一個很小的演示實驗為素材，但較全面地考察了學生對于所學知識融會貫通的能力。

3 試題點評

本題是以金屬腐蝕為背景的一道原創(chuàng)題，涉及化學反應速率的計算及影響因素、金屬腐蝕原理、原電池、實驗改進與探究等多方面知識，著重考查學生接受與處理信息的能力、表達能力、思維能力以及與物理知識間的綜合能力。

（1）試題源于教材但又高于教材。試題以教材中實驗為依托通過在實驗過程中遇到的問題比如反應較慢、實驗現象單一等角度為實驗探究點，促使學生針對以上問題進行相關探究并最終找到解決問題的方案，并不是教材實驗的簡單再現而是比教材的要求更高，比如第（5）小題純金屬吸氧腐蝕的考察就屬于對鋼鐵腐蝕的一個拓展。

（2）試題有較強的綜合性。這種綜合性既體現在學科內的綜合又體現在學科間的綜合。在學科內雖然本題主旨為金屬的吸氧腐蝕，但又涉及到化學反應速率、氧化鋁薄膜等知識點的考查。

（3）問題設置由教材中熟知的實驗引出，順著實驗探究思路，針對每個實驗環(huán)節(jié)遇到的困難進行相關問題的設置，顯得真實、自然、適度。同時所設置的問題均是考查學生最基本的知識和能力，包括在化學反應速率的影響因素及計算、電極反應式的書寫、吸氧腐蝕的原理、常見物質的化學性質等內容，這些均屬于高中化學對學生最基本的要求。

4 解題思路

第（1）題需明白鐵釘中含有Fe（作負極）和石墨（作正極），根據較為熟悉的銅鋅原電池裝置圖便可輕松畫出，此題旨在讓學生明白鋼鐵吸氧腐蝕的原理。

第（2）題可由影響化學反應速率的幾大因素進行推導，其中A為濃度、B為溫度、C為固體表面積，但B項直接加熱會使具支試管內溫度持續(xù)升高，導管一端只會產生氣泡不會形成氣柱，因此應改用水浴加熱，穩(wěn)定具支試管內氣壓，D項用尖嘴管代替導管旨在放大實驗現象，以便于明顯觀察到水柱的上升。此外，由于在組裝儀器的過程中不管先塞緊橡膠塞還是先插入導管均會壓縮具支試管內氣體，造成氣壓變大，導管內液面下降，最終低于試管中液面。因此若要使氣柱上升就必須填補已經下降的高度，自然需要更長時間。在選項中提供的幾個裝置中，A、B、C均可使具支試管內外大氣相通，這樣便可使得導管內外液面相平，不影響后續(xù)實驗。

第（3）題根據氣柱的體積（即O₂的體積）可換算出反應消耗的O₂的物質的量，再換算成Fe²⁺的物質的量即可計算反應速率。在后來所測數據中可看出反應越來越慢，原因是O₂被消耗使其濃度降低的緣故。

第（4）問旨在通過檢驗正、負極反應的兩種產物（OH^-和Fe²⁺）來找出吸氧腐蝕正負極反應發(fā)生的大體位置，也可直觀地推測出正、負極反應式。由于b點有Fe²⁺生成，自然b點較易腐蝕，這一實驗也改變了部分師生認為較易腐蝕部位發(fā)生在a點這一固有觀念。

第（5）問中可根據題中所給實驗現象（金屬上的溶液顯紅色的先后順序）推導出幾種金屬腐蝕的快慢順序與其金屬活動性一致，鋁最慢的原因在于其表面極易形成致密的氧化鋁薄膜從而保護了內層金屬不受腐蝕。

5 參考答案

（2）A、C、D；用熱水浴替換酒精燈；有；A

（3）0.79×10^-3 mol/(L·min)，氧氣的濃度

（4）

b點，理由：此處有藍色沉淀，說明生成Fe²⁺，鐵釘已經腐蝕

（5）金屬活潑性，原因：裝置容易形成穩(wěn)定的氧化膜，延緩了腐蝕的進程

參考文獻：

[1]宋心琦主編.化學4（選修）[M].北京：人民教育出版社，2004：85.

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